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Die
vorliegende Erfindung betrifft Elektrofahrzeuge und Hybrid-Elektrofahrzeuge.
Insbesondere betrifft die Erfindung Hilfsenergiesysteme, die von
derartigen Fahrzeugen verwendet werden, um Hilfsenergie bereitzustellen.
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Der
Anmelder der vorliegenden Erfindung entwirft und entwickelt Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeuge
und Energiesysteme zur Verwendung darin. Energiesysteme nach Stand
der Technik umfassen eine Beschreibung von Hilfsenergiesystemen, bei
denen das Hauptenergiesystem für
einen Traktionsantrieb angezapft wird, um Hilfsenergie für andere
Zwecke bereitzustellen. Das Hilfsenergiesystem kann verwendet werden,
um elektrische Energie für andere
elektrische Anwendungen bereitzustellen, die normalerweise in das
Fahrzeug eingebaut sind oder damit ausgeliefert werden, beispielsweise
ein Radio, Scheinwerfer, Klimaanlagenventilatoren etc. Zu anderen
Zeiten kann das elektrische Hilfsenergiesystem beansprucht werden,
um elektrische Energie für elektrische
Anwendungen bereitzustellen, die häufig an das Fahrzeug "angesteckt" werden, beispielsweise
ein Zigarettenanzünder
und Netzteile zum Wiederaufladen von Mobiltelefonen, Laptop-Computern und
anderen Einrichtungen, die typischerweise in die Buchse des Zigarettenanzünders eingesteckt
werden. Zu noch anderen Zeiten kann das elektrische Hilfsenergiesystem
beansprucht werden, um eine elektrische Wechsel- oder Gleichspannung
mit 110 Volt für
elektrische Anwendungen bereitzustellen, die normalerweise nicht
mit dem Fahrzeug verbunden sind, beispielsweise einen Elektrorasierer
oder ein Elektrowerkzeug, wie zum Beispiel eine Elektrosäge, einen
Elektrobohrer, einen Elektroschleifer oder eine Vielzahl von elektrischen
Anwendungen, die verwendet werden, wenn das Fahrzeug zum Campen
oder Angeln verwendet wird.
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1 stellt
ein Hilfsenergiesystem dar, das eine Gleichspannungsquelle, einen
Hochfrequenzumrichter 3, einen Hochfrequenztransformator 5 und einen
Direktumrichter 7 umfasst, welcher mit einer Last verbunden
ist. Schalter in dem Hochfrequenzumrichter 3 und dem Direktumrichter 7 werden
durch einen Controller 1 gesteuert. Die verschiedenen Weisen,
auf welche diese Schalter gesteuert werden, unterscheiden ein bekanntes
System von einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 stellt
den Hochfrequenzumrichter 3 (HF-Umrichter 3) dar,
der zwischen die Gleichspannung (V_DC) von der Gleichspannungsquelle
und den Hochfrequenztransformator 5 (HF-Transformator)
gekoppelt ist. Der HF-Umrichter umfasst vier Schalter S1, S2, S3,
S4. Der Schalter S1 umfasst eine Umgehungsdiode 30 und
ein entsprechendes aktives Schaltelement 20. Auf ähnliche
Weise umfassen die Schalter S2, S3, S4 Umgehungsdioden 32, 34, 36 und
entsprechende aktive Schaltelemente 22, 24, 26.
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Das
aktive Schaltelement 20 des Schalters S1 ist in Abhängigkeit
von einem Steuerungssignal, das an das aktive Schaltelement 20 angelegt
wird, in der Lage, entweder einen Strom von V_DC an den HF-Transformator
zu leiten oder eine Stromleitung zu sperren. Die Umgehungsdiode 30 ist
in der Lage, einen Strom von dem HF-Transformator zu V_DC zu leiten,
aber nicht in die andere Richtung. Auf ähnliche Weise ist das aktive
Schaltelement 24 des Schalters S3 in der Lage, einen Strom
selektiv zu leiten oder eine Stromleitung von V_DC zu dem HF-Transformator
zu sperren. Die Umgebungsdiode 34 ist in der Lage, einen
Strom von dem HF-Transformator zu V_DC zu leiten, aber nicht in
die andere Richtung.
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Das
aktive Schaltelement 22 des Schalters S2 ist in Abhängigkeit
von einem Steuerungssignal, das an das aktive Schaltelement 22 angelegt
wird, in der Lage, entweder einen Strom von dem HF-Transformator
zu V_DC zu leiten oder eine Stromleitung zu sperren. Die Umgehungsdiode 32 ist
in der Lage, einen Strom von V_DC zu dem HF-Transformator zu leiten,
aber nicht in die andere Richtung. Auf ähnliche Weise ist das aktive
Schaltelement 26 des Schalters S4 in der Lage, einen Strom
selektiv zu leiten oder eine Stromleitung von dem HF-Transformator
zu V_DC zu sperren. Die Umgehungsdiode 36 ist in der Lage,
einen Strom von V_DC zu dem HF-Transformator
zu leiten, aber nicht in die andere Richtung. Die aktiven Schaltelemente 20, 22, 24, 26 umfassen
typischerweise einen Bipolartransistor mit isolierter Steuerelektrode
(IGBT von insulated gate Biopolar transistor). Andere Schaltertechnologien
können
jedoch auch verwendet werden.
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Im
Betrieb wird die Schaltfrequenz des HF-Umrichters zwischen 3.000
und 30.000 Hz gewählt.
Der HF-Umrichter wandelt die Versorgungsgleichspannung V_DC in Rechteckspannungsimpulse
um, die den HF-Transformator 5 passieren,
um zwischen den A_BUS und den B_BUS des Direktumrichters 7 angelegt
zu werden.
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3 zeigt
den HF-Transformator 5 und den Direktumrichter 7.
Der Direktumrichter 7 umfasst vier Schalterpaare AU, BU,
AV und BV, die in einer Brückenkonfiguration
angeordnet sind. Der Transformator 5 ist über den
A_BUS und den B_BUS (die A- und B-Anschlüsse der Brücke) mit der Brücke gekoppelt. Ein
lastseitiges Filter umfasst eine Spule L, einen Hall effektsensor
H und einen Kondensator C. Das lastseitige Filter ist zwischen Anschlüssen U und
V mit der Brücke
gekoppelt.
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Jedes
Schalterpaar umfasst zwei Schalter. Das Schalterpaar AU ist mit
dem A_BUS verbunden und umfasst Schalter AUP und AUN, und das Schalterpaar
AV ist auch mit dem A_BUS verbunden und umfasst Schalter AVP und
AVN. Das Schalterpaar BU ist mit dem B_BUS verbunden und umfasst Schalter
BUP und BUN, und das Schalterpaar BV ist auch mit dem B_BUS verbunden
und umfasst Schalter BVP und BVN. Die Schalter AUP, AVN, BUN und BVP
funktionieren genau gleich wie ein beliebiger der Schalter S1, S2,
S3 oder S4 von 2. Die Schalter AUN, AVP, BUP
und BVN funktionieren ähnlich,
mit der Ausnahme, dass die Umgehungsdioden in die entgegengesetzte
Richtung verbunden sind wie die Dioden der Schalter AUP, AVN, BUN
und BVP und mit der Ausnahme, dass die aktiven Schaltelemente einen
Strom selektiv in die entgegengesetzte Richtung leiten wie die Schaltelemente
der Schalter AUP, AVN, BUN und BVP.
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Der
Controller 1 steuert die zwei Schaltelemente eines jeden
Schalterpaars, um potenziell vier Betriebszustände zu erzeugen. Das Schalterpaar
AU wird als ein Beispiel benutzt. AU ist AUS, wenn kein Strom von
dem A_BUS durch das Schalterpaar AU an die Spule L oder zurück fließen kann.
In dem AUS-Zustand sperren beide Schaltelemente einen Stromfluss
und die zwei Dioden sind rückwärts vorgespannt,
um einen Stromfluss zu sperren. In dem EIN-Zustand sind beide Schaltelemente
leitfähig,
sodass ein Strom in beide Richtungen durch das Schalterpaar AU fließen kann.
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In
einem dritten Zustand ist das Schaltelement des Schalters AUP eingeschaltet,
um ein Leiten in eine Richtung zu ermöglichen, und das Schalt element
des Schalters AUN ist ausgeschaltet, um jegliches Leiten zu sperren,
sodass ein Strom von dem A_BUS durch das Schaltelement des Schalters
AUP, durch die Diode des Schalters AUN an die Spule L fließt. Jedoch
wird ein Stromfluss sowohl durch die Diode als auch durch das Schaltelement
des Schalters AUN gesperrt, sodass ein Strom von der Spule L an
einem Fließen
durch den Schalter AUN, durch den Schalter AUP zu dem A_BUS gehindert
wird.
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In
einem vierten Zustand ist das Schaltelement des Schalters AUN eingeschaltet,
um ein Leiten in eine Richtung zu ermöglichen, und das Schaltelement
des Schalters AUP ist ausgeschaltet, um jegliches Leiten zu sperren,
so dass ein Strom von der Spule L durch das Schaltelement des Schalters
AUN, durch die Diode des Schalters AUP zu dem A_BUS fließt. Jedoch
ist ein Stromfluss sowohl durch die Diode als auch durch das Schaltelement
des Schalters AUP gesperrt, sodass ein Strom von dem A_BUS an einem
Fließen
durch den Schalter AUP, durch den Schalter AUN zu der Spule L gehindert
wird.
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Jedes
der anderen Schalterpaare AV, BU und BV arbeitet auf ähnliche
Weise, sodass jedes vier Betriebszustände erzeugt, die durch den
Controller 1 (1) gesteuert werden. Der Direktumrichter 7 kann
so angesteuert werden, dass er sich in einem beliebigen von 256
verschiedenen Leitungszuständen
befindet.
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Die
sich durch den HF-Transformator ausbreitenden Spannungsimpulse werden
an den Direktumrichter 7 (3) angelegt,
um den A_BUS mit Bezug auf den B_BUS für einen Halbzyklus positiv
zu machen, und sie machen den B_BUS mit Bezug auf den A_BUS für den anderen
Halbzyklus positiv. Durch ein Verwenden des korrekten zyklischen Schaltens
der Schalter AUP, AVN, BUN, BVP, AUN, AVP, BUP und BVN kann der
Strom von beiden Halbzyklen durch die Spule L in die gleiche Richtung durchgeleitet
werden.
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Eine
erste Betriebsart wird definiert, wenn ein Strom von dem Knoten
U in die Spule geleitet wird. Bei der ersten Betriebsart steuert
der Controller 1 (1) alle
Schaltelemente des Direktumrichters 7, um zu bewirken,
dass die Spannung an dem Knoten U positiver als die Spannung an
dem Knoten V ist.
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Ein
erster Halbzyklus liegt definitionsgemäß vor, wenn die Spannung an
den A_BUS bezüglich der
Spannung an dem B_BUS positiv ist (siehe 6, A_BUS).
Auf 4 Bezug nehmend kann die Spannung an dem A_BUS
während
des ersten Halbzyklus von dem A_BUS durch das Schaltelement des Schalters
AUP, durch die Diode des Schalters AUN zu dem Knoten U geleitet
werden. Zu dem gleichen Zeitpunkt kann ein Strom von dem Knoten
V, durch das Schaltelement des Schalters BVP, durch die Diode des
Schalters BVN an den B_BUS gezogen werden, bis die Spannung an dem
Knoten V im Wesentlichen gleich der Spannung an dem B_BUS ist (ein wenig
Spannung fällt über den
Schaltern des Schalterpaars BV ab).
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Der
andere Halbzyklus liegt definitionsgemäß vor, wenn die Spannung an
dem B_BUS bezüglich
der Spannung an dem A_BUS positiv ist (siehe 6, B_BUS).
Auf 5 Bezug nehmend kann die Spannung an dem B_BUS
während
des anderen Halbzyklus von dem B_BUS durch das Schaltelement des
Schalters BUP, durch die Diode des Schalters BUN zu dem Knoten U
geleitet werden. Zu dem gleichen Zeitpunkt kann ein Strom von dem
Knoten V, durch das Schaltelement des Schalters AVP, durch die Diode
des Schalters AVN an den A_BUS gezogen werden, bis die Spannung
an dem Knoten V im Wesentlichen gleich der Spannung an dem A_BUS ist
(ein wenig Spannung fällt über den
Schaltern des Schalterpaars BV ab).
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Daher
können
bei dieser ersten Betriebsart unabhängig davon, ob der A_BUS positiver
als der B_BUS oder umgekehrt ist, die Schalter durch den Controller 1 betrieben
werden, um eine Spannung an den Knoten U anzulegen, die positiver
als die Spannung ist, die an den Knoten V angelegt wird. Der Controller 1 veranlasst
die Schalter, den positiven Spannungsimpuls an den Knoten U anzulegen.
Auf diese Weise kann der Knoten U relativ zu der Spannung an dem
Knoten V eine positive Gleichspannung mit periodischen Schaltspitzen
(siehe 6, U) entwickeln. Der Kondensator C und die Spule
L bilden ein Lastendfilter, welches die Schaltspitzen im Wesentlichen
entfernt (siehe 6, AUSGANG).
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Auf ähnliche
Weise können
bei einer zweiten Betriebsart die Schalter betrieben werden, um
eine Spannung an den Knoten V anzulegen, die positiver als die Spannung
ist, die an den Knoten U angelegt wird. Auf diese Weise kann der
Knoten U bezüglich der
Spannung an dem Knoten V eine negative Gleichspannung entwickeln.
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Durch
ein Wechseln zwischen den voranstehend beschriebenen ersten und
zweiten Betriebsarten kann eine Wechselspannungswellenform zwischen
den Knoten U und V bereitgestellt werden, bei der die Schaltrate
zwischen den ersten und zweiten Betriebsarten in einem Bereich zwischen
Gleichstrom (d.h. entweder die erste Betriebsart oder die zweite
Betriebsart, aber keine abwechselnden Betriebsarten) und einer Frequenz
knapp unter der Schaltfrequenz des HF-Umrichters frei gewählt werden
kann.
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Die
spezielle Wechselfrequenz zwischen der ersten und der zweiten Betriebsart
wird durch die Logik in dem Controller 1 definiert, der
die Steuerungssignale erzeugt, welche die Schalter in dem Direktumrichter 7 betätigen. Bei
den meisten Systemen wird die Wechselfrequenz zwischen der ersten
und zweiten Betriebsart und zurück
60 Hz betragen, um mit Lasten kompatibel zu sein, die für einen
Betrieb an terrestrischen Wechselspannungssystemen entworfen wurden,
die bei 60 Hz arbeiten. Es sind jedoch auch andere Frequenzen wünschenswert,
beispielsweise 400 Hz, 900 Hz und sogar 1600 Hz, da auch diese Frequenzen
bei Standardwechselspannungssystemen verwendet werden.
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Der
Halleffektsensor H, der Kondensator C und die Spule L bilden ein
Filter, das sich über
die Knoten U und V erstreckt. Die Filterkonstante LC dieses Filters
ist als ein Tiefpassfilter entworfen, um Frequenzen zu entfernen,
die höher
als die Wechselfrequenz zwischen der ersten und zweiten Betriebsart ist.
Während
eines Schaltens zwischen den Schalterzuständen des Direktumrichters 7 können oft
Spannungsspitzen vorübergehend über die
Knoten U und V angelegt werden. Das aus dem Kondensator C und der
Spule L bestehende Filter absorbiert und filtert diese Spannungsspitzen
aus, um eine glattere Spannung zwischen den Knoten U und V bereitzustellen. Der
Halleffektsensor H stellt eine Rückmeldung
an den Controller 1 bereit, um den Controller über die Richtung
des Stroms zu informieren, der durch die Spule L geht.
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Bei
einem typischen Betrieb schaltet der HF-Umrichter 3 mit
einer ausreichenden Rate, sodass sich ein voller Zyklus mit einer
vorbestimmten Rate wiederholt, die von 2.000 Hz bis 40.000 Hz oder typischer
von 3.000 Hz bis 30.000 Hz gewählt
werden kann. Während
eines ersten Halbzyklus sind die Schalter S1 und S4 eingeschaltet,
während
die Schalter S2 und S3 ausgeschaltet sind, sodass ein Strom in die
mit einem Punkt markierte Seite des Transformators 5 fließt und die
Spannung V_DC von der Gleichspannungsquelle an den Transformator 5 so
angelegt wird, dass die an die mit einem Punkt markierte Seite der
Primärwicklung
des Transformators 5 angelegte Spannung positiver als die
an die andere Seite der Primär wicklung
angelegte Spannung ist. Während
des anderen Halbzyklus werden die Schalter S2 und S3 eingeschaltet,
während
die Schalter S1 und S4 ausgeschaltet werden, sodass ein Strom aus
der mit einem Punkt markierten Seite des Transformators 5 fließt und die
Spannung V_DC von der Gleichspannungsquelle an den Transformator 5 so
angelegt wird, dass die an die mit einem Punkt markierte Seite der
Primärwicklung
des Transformators 5 angelegte Spannung negativer als die
an die andere Seite der Primärwicklung
angelegte Spannung ist. Durch ein Abwechseln dieser Halbzyklen wird
eine Rechteckspannung an die Primärwicklung des Transformators 5 angelegt.
Die Schalter S1 und S4 werden für
einen ersten Halbzyklus geschlossen, während die Schalter S2 und S3
geöffnet
werden, sodass ein Strom durch die Primärwicklung des Transformators 5 in
eine Richtung fließt.
Dann werden für
den anderen Halbzyklus die Schalter S2 und S3 geschlossen, während die
Schalter S1 und S4 geöffnet
werden, sodass ein Strom durch die Primärwicklung des Transformators 5 in
die entgegengesetzte Richtung fließt. Allgemein werden die Größe des Transformators
und insbesondere das Kernmaterial des Transformators, die Wicklungen
etc. des Transformators so gewählt,
dass das Kernmaterial während
eines Halbzyklus nicht magnetisch gesättigt wird.
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Wenn
der Controller 1 den Direktumrichter 7 betreibt,
wie voranstehend mit Bezug auf 4 und 5 erörtert wurde,
wird die an den Direktumrichterausgang AUSGANG (4, 5) übertragene Energie
unter Verwendung der in 6 dargestellten Zeitsequenz
maximiert. Dieser Betrieb wird als die Energieübertragungsperiode (PT-Periode)
bezeichnet.
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In
vielen Fällen
jedoch wird weniger als die volle Energieübertragung gewünscht. Um
dies zu erreichen, wird eine Pulsweitenmodulation (PWM) der Schalter
in dem Direktumrichter 7 verwendet. Um PWM zu verstehen,
wird nur die voranstehend mit Bezug auf 4 und 5 beschriebene
erste Betriebsart betrachtet, bei der die Schalter des Direktumrichters 7 durch
den Controller 1 betrieben werden, um eine Spannung an
den Knoten U anzulegen, die positiver als die Spannung ist, die
an den Knoten V angelegt wird, unabhängig davon, ob der A_BUS positiver
als der B_BUS ist oder umgekehrt. Während eines ersten Halbzyklus
des HF-Umrichterzyklus (50 % des Arbeitszyklus des vollen Zyklus)
werden die Schalter des Schalterpaars AU betrieben, um eine positive
Spannung von dem A_BUS an den Knoten U anzulegen, und während des
anderen Halbzyklus (50 % des Arbeitszyklus des vollen Zyklus), werden
die Schalter des Schalterpaars BU betrieben, um eine positive Spannung
von dem B_BUS an den Knoten U anzulegen, wie voranstehend erörtert wurde.
Siehe 6.
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Um
weniger als die volle Energieübertragung bereitzustellen,
wird jeder Halbzyklus (50 % des Arbeitszyklus des vollen Zyklus)
in eine Energieübertragungs-PT-Periode
(wie die voranstehend erörterten ersten
oder zweiten Betriebsarten) und eine Freilauf-FW-Periode unterteilt.
Beispielsweise kann bei dem ersten Halbzyklus die Energieübertragungs-PT-Periode 25 % des
vollen Zyklus betragen, und die Freilaufperiode kann 25 % des vollen
Zyklus betragen (siehe 7). Dann kann die Energieübertragungs-PT-Periode
bei dem anderen Halbzyklus auch 25 % des vollen Zyklus betragen
und die Freilaufperiode kann auch 25 % des vollen Zyklus betragen
(siehe 7).
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In 7 sind
erste und zweite Halbzyklen in der ersten bzw. zweiten Zeile dargestellt.
Ein Bezugszeitpunkt T0 beginnt zu Beginn des ersten Halbzyklus.
Der erste Halbzyklus beginnt mit einer PT-Periode gefolgt von einer
FW-Periode, und der zweite Halbzyklus beginnt mit einer PT-Periode
gefolgt von einer FW-Periode. Die letzten vier Zeilen von 7 stellen
den Ein- oder Aus-Zustand der Schalterpaare AU, AV, BU und BV dar,
aber nur während
der FW-Periode. Der Betrieb der Schalter während der PT- Periode erfolgt,
wie voranstehend erörtert
wurde. Während
der FW-Periode sind die Schalterpaare AU und AV eingeschaltet, um
einen Strom zu leiten, wie in 8 dargestellt
ist, wenn ein Strom von dem Knoten U in die Spule L fließt, und
wie in 9 dargestellt ist, wenn ein Strom von der Spule
L in den Knoten U fließt.
Die Schalterpaare AU und AV können
jedoch auch für
einen Strom eingeschaltet sein, der in eine der beiden Richtungen
fließt.
Auch sind während
der FW-Periode die Schalterpaare BU und BV ausgeschaltet, so dass
die Knoten U und V von dem B_BUS isoliert sind, wie in 8 und 9 dargestellt
ist. Während
der Freilaufperiode sind die Knoten U und V kurzgeschlossen. Auf
diese Weise wird nur die Hälfte
der maximalen Energie durch den Direktumrichter 7 übertragen.
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Während einer
Freilaufperiode steuert der Controller 1 die Schalter des
Direktumrichters 7 so, dass die Knoten U und V kurzgeschlossen
sind. Ein Weg dazu besteht darin, den A_BUS mit den beiden Knoten
U und V kurzzuschließen.
Ein anderer Weg dazu besteht darin, den B_BUS mit den beiden Knoten
U und V kurzzuschließen.
Wenn ein Strom von der Spule L durch den Halleffektsensor H in den
Kondensator C fließt,
werden die Schaltelemente der Schalter AUP und AVP eingeschaltet,
wie in 8 dargestellt ist. Der Strom fährt fort, in einem Kreis von dem
Kondensator C durch das Schaltelement des Schalters AVP, durch die
Diode des Schalters AVN zu dem A_BUS, dann durch das Schaltelement
des Schalters AUP, durch die Diode des Schalters AUN und zurück in die
Spule L zu fließen.
Die Spannung zwischen den Knoten U und V wird kurzgeschlossen und
mit Ausnahme einiger kleiner Spannungsabfälle über den Schaltern auf die Spannung
des A_BUS arretiert. Dem Controller 1 ist die Richtung
des Stromflusses bekannt, weil der Halleffektsensor H die Stromrichtung
misst und die Richtung an den Controller meldet.
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Auf ähnliche
Weise werden, wenn ein Strom von dem Kondensator C durch den Halleffektsensor H
in die Spule L fließt,
die Schaltelemente der Schalter AUN und AVN eingeschaltet, wie in 9 dargestellt
ist. Der Strom fährt
fort, in einem Kreis von der Spule L, durch das Schaltelement des
Schalters AUN, durch die Diode des Schalters AUP, an den A_BUS,
dann durch das Schaltelement des Schalters AVN, durch die Diode
des Schalters AVP und zurück
in den Kondensator C zu fließen.
Die Spannung zwischen den Knoten U und V ist kurzgeschlossen und
mit Ausnahme einiger kleiner Spannungsabfälle über den Schaltern auf die Spannung
an dem A_BUS arretiert. Dem Controller 1 ist die Richtung
des Stromflusses bekannt, weil der Halleffektsensor H die Stromrichtung
misst und die Richtung an den Controller meldet.
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Alternativ
kann der Controller 1 die Schaltelemente der Schalter AUP,
AVP und AUN, AVN so steuern, dass sie während der FW-Periode eingeschaltet
sind, und es besteht kein Bedarf zur Messung der Stromrichtung durch
den Halleffektsensor H. Diese Anordnung wird die Spannungen an den Knoten
U und V gemeinsam arretieren.
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Alternativ
kann der Controller 1 die Schalter des Direktumrichters 7 während der
Freilaufperiode steuern, um die Spannungen zwischen den Knoten U und
V zu arretieren, indem er die Schaltelemente der Schalter BUP und
BVP auf ähnliche
Weise steuert, dass sie während
eines Halbzyklus eingeschaltet werden, und die Schaltelemente der
Schalter BUN und BVN auf ähnliche
Weise steuert, sodass sie während
des anderen Halbzyklus eingeschaltet werden. Auch kann der Controller 1 bei
einer alternativen Variante die Schalter des Direktumrichters 7 während der
Freilaufperiode so steuern, dass die Schaltelemente der Schalter
BUP, BUN, BVN und BVP unabhängig
von der Richtung eines Stromflusses alle eingeschaltet werden.
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Bei
allen voranstehend erörterten
Freilauffällen
wird während
der Freilaufperiode keine Energie durch den Direktumrichter 7 übertragen,
weil die Spannung zwischen den Knoten U und V kurzgeschlossen ist.
Dies verringert den Energiebetrag, der in die Spule L und den Kondensator
C übertragen wird.
Bei dem speziellen beispielhaften Fall beträgt die Energieübertragungsperiode
25 % des vollen Zyklus während
des ersten Halbzyklus und die Freilaufperiode beträgt 25 %
des vollen Zyklus. Bei dem anderen Halbzyklus beträgt die Energieübertragungsperiode
25 % des vollen Zyklus und die Freilaufperiode beträgt 25 %
des vollen Zyklus. Daher wird nur 50 % (z.B. 25 % eines jeden Halbzyklus)
der maximal übertragbaren
Energie durch den Direktumrichter 7 tatsächlich übertragen.
Die Filterkonstante LC des Filters zwischen den Knoten U und V ist
so gewählt, dass
sie eine Zeitkonstante LC aufweist, welche die HF-Spannungsimpulse
(siehe 7) ausglättet. Dies
wird die Schwankungen an dem Ausgangsanschluss (d.h. dem Knoten
zwischen dem Kondensator C und dem Halleffektsensor H) und dem Knoten
V ausmitteln. In diesem Kontext funktioniert der Kondensator C als
ein Parallelkondensator zwischen dem Ausgangsanschluss AUSGANG (d.h.
dem Knoten zwischen dem Kondensator C und dem Halleffektsensor H)
und dem Knoten V, und die Spule L funktioniert als eine Eingangsdrossel,
um Spannungsspitzen zu verringern, bevor sie den Ausgangsanschluss
AUSGANG erreichen.
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Um
eine sinusförmige
Ausgangsspannungswellenform zu erreichen, steuert der Controller 1 die Schalter
des Direktumrichters 7, um den prozentualen Anteil eines
Halbzyklus, der für
Freilaufperioden verwendet wird, und den entsprechenden prozentualen
Anteil des Halbzyklus, der für
Energieübertragungsperioden
verwendet wird, zu modulieren. Anfänglich wird der gesamte Halbzyklus
(d.h. 50 % des vollen Zyklus) für
die Freilaufperioden verwendet und nichts von dem Halbzyklus wird
für die
Ener gieübertragungsperiode
verwendet. Daher ist der Spannungsausgang des Direktumrichters anfänglich Null. Der
prozentuale Anteil des Halbzyklus, der für die Energieübertragungsperiode
verwendet wird, wird allmählich
erhöht,
bis eine Spitze erreicht wird, und dann wird der prozentuale Anteil
allmählich
wieder auf Null verringert. Der entsprechende prozentuale Anteil
des Halbzyklus, der für
die Freilaufperiode verwendet wird, wird entsprechend allmählich auf
ein Minimum verringert und dann allmählich erhöht. Die genaue Rate von Erhöhungen und
Verringerungen bei diesen prozentualen Anteilen wird gewählt, um
eine Halbperiode einer sinusförmigen
Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss AUSGANG bezüglich des
Knotens V mit der gewünschten
Ausgangsfrequenz, beispielsweise 60 Hz, bereitzustellen. Wenn beispielsweise
die gewünschte
Ausgangsfrequenz 60 Hz beträgt
ist die Halbperiode 1/120 Teil einer Sekunde oder Achteindrittel
Millisekunden. Durch ein Steuern der Schalter des Direktumrichters auf
diese Weise können
auch Dreieck- oder Rechteckwellenformen erzeugt werden.
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Zusätzlich zu
der Ausbildung der Wellenformgrundgestalt befiehlt der Controller 1 den
Direktumrichter 7, um die Skalierung der Ausgangsspannungswellenform
zu steuern, d.h. den Effektivwert (RMS) der gelieferten Energie.
Der Controller 1 befiehlt dem Direktumrichter 7,
den prozentualen Anteil eines Halbzyklus, der für Freilaufperioden verwendet wird,
auf eine derartige Weise zu modulieren, dass die Ausgangsspannungswellenform
in der Größe gemäß einer
gewünschten
Sinusspitzenamplitude skaliert wird.
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An
dem Ende einer Achteindrittel Millisekunden Halbwellenformzyklusperiode
tritt ein Nulldurchgang auf und die Achteindrttel Millisekunden
Halbwellenformzyklusperiode wird mit umgekehrten Spannungen an den
Knoten U und V wiederholt.
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Durch
diesen Betrieb des Direktumrichters kann eine frei wählbare Ausgangswellenform
mit einer frei wählbaren,
aber vorbestimmten Frequenz, welche durch den Controller definiert
wird, bereitgestellt werden. Die vorbestimmte Frequenz kann eine beliebige
Frequenz von Gleichstrom bis knapp unter der HF-Umrichter-Zyklusfrequenz
sein (z.B. 3.000 Hz bis 30.000 Hz).
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Eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst ein Steuern des Direktumrichters 7 in Koordination
mit einem Steuern eines gekoppelten HF-Umrichters 3. Das
Steuern des Direktumrichters 7 stellt mindestens eine erste
Freilauf-FW-Periode in dem Direktumrichter für jeden Zyklus des HF-Umrichters 3 zur
Verfügung.
Das Steuern des HF-Umrichters
stellt eine Freilaufperiode in dem HF-Umrichter 3 jedes
Mal dann bereit, wenn die erste Freilaufperiode in dem Direktumrichter
bereitgestellt wird.
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Bei
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen prozessorlesbaren
Mediums enthält
das Medium Logikmodule, die zur Steuerung eines Prozessors in der
Lage sind. Ein erstes Modul ist in der Lage, den Prozessor zur Steuerung
eines Direktumrichters zu steuern, um mindestens eine erste Freilaufperiode
in dem Direktumrichter für
jeden Zyklus eines HF-Umrichters
bereitzustellen. Ein zweites Modul ist in der Lage, den Prozessor
zur Steuerung des HF-Umrichters zu steuern, um eine Freilaufperiode
in dem HF-Umrichter jedes Mal bereitzustellen, wenn die erste Freilaufperiode
in dem Direktumrichter bereitgestellt wird.
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Eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Controllers
umfasst eine erste Schaltung zur Steuerung eines Direktumrichters
und eine zweite Schaltung zur Steuerung eines HF-Umrichters. Die erste
Schaltung zur Steuerung des Direktumrichters stellt mindestens eine
erste Freilaufperiode in dem Direktumrichter für jeden Zyklus des HF-Umrichters bereit.
Die zweite Schaltung zur Steuerung des HF-Umrichters stellt eine
Freilaufperiode in dem HF-Umrichter jedes Mal bereit, wenn die erste
Freilaufperiode in dem Direktumrichter bereitgestellt wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften
Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben. In dieser ist:
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1 ein
Funktionsblockdiagramm, das ein Gleichstrom-zu-Wechselstrom-System des Typs darstellt,
der erfindungsgemäß gesteuert
wird;
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2 ein
Schaltplan des HF-Umrichters von 1;
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3 ein
Schaltplan des Direktumrichters von 1;
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4 ein
Stromlaufplan des Direktumrichters von 3, der eine
Betriebsstellung der Schalter für
einen Energieübertragungszustand
zeigt;
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5 ein
Stromlaufplan des Direktumrichters von 3, der eine
andere Betriebsstellung der Schalter für einen Energieübertragungszustand zeigt;
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6 ein
Zeitdiagramm, das einen Energieübertragungszustand
zeigt;
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7 ein
Zeitdiagramm, das einen PWM-gesteuerten Energieübertragungszustand mit einer
Freilaufperiode zeigt;
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8 ein
Stromlaufplan des Direktumrichters von 3, der eine
Betriebsstellung der Schalter für
einen Freilaufzustand zeigt;
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9 ein
Stromlaufplan des Direktumrichters von 3, der eine
andere Betriebsstellung der Schalter für einen Freilaufzustand zeigt;
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10 ein
Flussdiagramm, das eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Steuerungsschemas
zeigt;
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11 ein
Flussdiagramm, das eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsschemas
zeigt; und
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12 ein
Flussdiagramm, das noch eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Steuerungsschemas
zeigt.
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Bei
dem voranstehend beschriebenen bekannten Kommutierungsschema muss
der HF-Transformator 5 dimensioniert sein, um die volle
Leitungsgleichspannung für
einen 50 % Arbeitszyklus aufzunehmen. Das magnetische Material in
den Transformator muss dimensioniert sein, um eine Sättigung
für die
Länge der
angelegten Spannungsimpulse zu vermeiden. Dieses Schema weist auch
ein Kommutierungsproblem des HF-Ausgangsspulenstroms bei einer Nullstromdetektion
bei niedriger Frequenz auf, das zu einem vorzeitigen Verschleiß von Kommutierungskomponenten
und einem Rauschen führt.
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Bei
der vorliegenden Erfindung jedoch steuert der Controller 1 den
HF-Umrichter 3 und
den Direktumrichter 7 so, dass ein wirtschaftlicherer Transformator 5 verwendet
werden kann. Der Controller 1 steuert die Schalter S1,
S2, S3 und S4 des HF-Umrichters 3 (2) derart,
dass entweder die Schalter S1 und S3 oder die Schalter S2 und S4
immer dann eingeschaltet sind, wenn sich der Direktumrichter 7 in einer
Freilauf-FW-Periode
befindet. Dies stellt sicher, dass die Spannung an der Primärwicklung
des HF-Transformators 5 auf Null kurzgeschlossen ist, wenn
sich der Direktumrichter 7 in einer Freilaufperiode befindet.
Der HF-Umrichter 3 wird immer dann in eine Freilaufperiode
gezwungen, wenn sich der Direktumrichter 7 in einer Freilaufperiode
befindet. Beide Anschlüsse
an der Primärwicklung
des HF-Transformators werden entweder mit der positiven Seite der
Gleichspannungsquelle oder der negativen Seite der Gleichspannungsquelle
kurzgeschlossen.
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Der
Spitzenfluss in dem HF-Transformator ist gegeben durch: β =
KDV,wobei K eine Proportionalitätskonstante ist, D der Arbeitszyklus
ist und V die Eingangsleitungsspannung ist, die an der Primärwicklung
angelegt wird. Wenn der Arbeitszyklus abnimmt, nimmt der Spitzenfluss β auch ab.
Daher kann ein wirtschaftlicherer Transformator verwendet werden,
wenn der Arbeitszyklus begrenzt wird. Die vorliegende Erfindung
nutzt die Freilaufperioden des Direktumrichters 7, um den
Arbeitszyklus D des HF-Umrichters
zu verringern.
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Bei
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst das Verfahren ein Steuern des Direktumrichters 7 in
Koordination mit einem Steuern eines gekoppelten HF-Umrichters 3. Das
Steuern des Direktumrichters 7 stellt mindestens eine erste
Freilauf-FW-Periode in dem Direktumrichter für jeden Zyklus des HF-Umrichters 3 bereit.
Das Steuern des HF-Umrichters stellt jedes Mal eine Freilaufperiode
in dem HF-Umrichter 3 bereit,
wenn die erste Freilaufperiode in dem Direktumrichter bereitgestellt
wird.
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Beispielsweise
stellt 10 ein Verfahren dar, das ein
Steuern des Direktumrichters 7 in Koordination mit einem
Steuern eines gekoppelten HF-Umrichters 3 umfasst.
Bei 10 werden die Freilaufperioden an dem Direktumrichter
und dem HF-Umrichter erzwungen. Die Dauer der Freilaufperiode als
ein prozentualer Anteil eines Halbzyklus ist eine Funktion des zu übertragenden
Energiebetrags und wird durch andere Teile des Controllers oder
einen separaten Controller ermittelt, der auf die Lastzustände und
die Energiebefehle des Bedieners anspricht. Sobald der prozentuale
Anteil eines Halbzyklus jedoch ermittelt ist, wird die Dauer der
Freilaufperiode der Steuerung des Direktumrichters und des HF-Umrichters
auferlegt. Bei 10 wird die Freilaufperiode
zuerst dem Direktumrichter auferlegt, dann dem HF-Umrichter auferlegt.
Die Verzögerungszeit
zwischen diesen zwei Ereignissen ist jedoch typischerweise sehr
kurz, in der Größenordnung
von Mikrosekunden, um den Wirkungsgrad des Systems zu maximieren.
Sogar die einfachsten und geringsten Leistungsmikroprozessoren können Zustände in wenigen
Mikrosekunden ändern.
Der Controller 1 kann auch, wie in 12 dargestellt
ist, die Freilaufperiode der Steuerung des Direktumrichters und
des HF-Umrichters zum im Wesentlichen gleichen Zeitpunkt auferlegen.
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Bei
einer Variante der Ausführungsform
des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner ein Steuern des Direktumrichters,
um eine zweite Freilaufperiode bereitzustellen, und ein Steuern
des HF-Umrichters, um eine weitere Freilaufperiode bereitzustellen.
Das Steuern des Direktumrichters, um eine zweite Freilaufperiode
bereitzustellen, stellt die zweite Freilaufperiode in dem Direktumrichter
für jeden
Zyklus des HF-Umrichters bereit. Das Steuern des HF-Umrichters,
um eine weitere Freilaufperiode bereitzustellen, stellt die weitere
Freilaufperiode in dem HF-Umrichter jedes Mal bereit, wenn die zweite
Freilaufperiode in dem Direktumrichter bereitgestellt wird.
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11 stellt
ein Verfahren dar, bei dem eine erste Freilaufperiode der Steuerung
sowohl des Direktumrichters als auch des HF-Umrichters in schneller
Abfolge auferlegt wird, dann wird nach einer Zeitverzögerung eine
zweite Freilaufperiode der Steuerung sowohl des Direktumrichters
als auch des HF-Umrichters auferlegt.
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Bei
einem Beispiel der Variante der Ausführungsform des Verfahrens wird
der Direktumrichter so gesteuert, dass die erste Freilaufperiode
in einem ersten Halbzyklus eines jeden Zyklus des HF-Umrichters
auftritt, und die zweite Freilaufperiode in einem zweiten Halbzyklus
eines jeden Zyklus des HF-Umrichters auftritt. Für ein Beispiel siehe 7.
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Bei
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen prozessorlesbaren
Mediums enthält
das Medium Logikmodule, die zur Steuerung eines Prozessors in der
Lage sind. Ein erstes Modul ist in der Lage, den Prozessor zur Steuerung
eines Direktumrichters zu steuern, um mindestens eine erste Freilaufperiode
in dem Direktumrichter für
jeden Zyklus eines HF-Umrichters
bereitzustellen. Ein zweites Modul ist in der Lage, den Prozessor
zur Steuerung des HF-Umrichters zu steuern, um eine Freilaufperiode in dem
HF-Umrichter jedes Mal bereitzustellen, wenn die erste Freilaufperiode
in dem Direktumrichter bereitgestellt wird.
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Bei
einer Variante der Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen prozessorlesbaren
Mediums umfasst das Medium ferner ein drittes Modul, das in der
Lage ist, den Prozessor zur Steuerung des Direktumrichters zu steuern,
um eine zweite Freilaufperiode in dem Direktumrichter für jeden
Zyklus des HF-Umrichters bereitzustellen, und ein viertes Modul, das
in der Lage ist, den Prozessor zur Steuerung des HF-Umrichters zu
steuern, um eine weitere Freilaufperiode in dem HF-Umrichter jedes
Mal bereitzustellen, wenn die zweite Freilaufperiode in dem Direktumrichter
bereitgestellt wird.
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Bei
einem Beispiel der Variante der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen prozessorlesbaren
Mediums sind die ersten und die dritten Module ferner dazu in der
Lage, den Prozessor so zu steuern, dass die erste Freilaufperiode
in einem ersten Halbzyklus eines jeden Zyklus des HF-Umrichters auftritt,
und dass die zweite Freilaufperiode in einem zweiten Halbzyklus
eines jeden Zyklus des HF-Umrichters auftritt.
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Bei
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Controllers
umfasst der Controller eine erste Schaltung zur Steuerung eines
Direktumrichters und eine zweite Schaltung zur Steuerung eines HF-Umrichters.
Die erste Schaltung zur Steuerung des Direktumrichters stellt mindestens
eine erste Freilaufperiode in dem Direktumrichter für jeden
Zyklus des HF-Umrichters bereit. Die zweite Schaltung zur Steuerung
des HF-Umrichters stellt eine Freilaufperiode in dem HF-Umrichter
jedes Mal bereit, wenn die erste Freilaufperiode in dem Direktumrichter
bereitgestellt wird.
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Die
Schaltung, die den Controller 1 bildet, kann aus einem
Satz von Treibern plus einem Mikrocomputer, einem gewöhnlichen
Prozessor, einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder
einer äquivalenten
Schaltung bestehen, welche aus diskreten Komponenten aufgebaut ist.
Der Controller ist einfach eine sequenzielle Maschine, welche die
Steuerungssignale zum Einschalten und Ausschalten der 16 aktiven
Schaltelemente in dem Direktumrichter 7 und der vier aktiven
Schaltelemente in dem HF-Umrichter bereitstellt. Eine Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist beispielsweise das Programm, das in dem
Controller abläuft.
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Bei
einer Variante der Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Controllers
umfasst der Controller ferner eine dritte Schaltung zur Steuerung des
Direktumrichters, um eine zweite Freilaufperiode in dem Direktumrichter
für jeden
Zyklus des HF-Umrichters bereitzustellen, und eine vierte Schaltung
zur Steuerung des HF-Umrichters, um eine weitere Freilaufperiode
in dem HF-Umrichter jedes Mal bereitzustellen, wenn die zweite Freilaufperiode
in dem Direktumrichter bereitgestellt wird.
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Bei
einem Beispiel der Variante der Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Controllers steuern
die ersten und dritten Schaltungen des Controllers ferner den Direktumrichter
derart, dass die erste Freilaufperiode in einem ersten Halbzyklus
eines jeden Zyklus des HF-Umrichters auftritt, und dass die zweite
Freilaufperiode in einem zweiten Halbzyklus eines jeden Zyklus des
HF-Umrichters auftritt.
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Zusammengefasst
umfasst ein Verfahren ein Steuern des Direktumrichters 7 in
Koordination mit einem Steuern eines gekoppelten HF-Umrichters 3. Das
Steuern des Direktumrichters 7 stellt mindestens eine erste
Freilauf-FW-Periode in dem Direktumrichter für jeden Zyklus des HF-Umrichters 3 bereit.
Das Steuern des HF-Umrichters stellt eine Freilauf periode in dem
HF-Umrichter 3 jedes Mal bereit, wenn die erste Freilaufperiode
in dem Direktumrichter bereitgestellt wird.