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Die
Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung zur Speisung
von Induktionsöfen mit wenigstens zwei zueinander versetzt
angeordneten, das induktiv zu erwärmende Gut gemeinsam
umgebenden, parallelkompensierten Induktionsspulen, wobei die Induktionsspulen
jeweils durch wenigstens einen Wechselrichter mit einstellbarer
Frequenz gespeist werden und wobei die Spulen phasengleich und phasenversetzt
ansteuerbar sind.
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Induktionsöfen
werden seit Jahrzehnten eingesetzt, um Metalle auf besonders effiziente
Weise zu erwärmen und insbesondere zu schmelzen. Hierbei
wird ausgenutzt, dass die für die Erwärmung erforderliche Energie
direkt in das zu erwärmende bzw. zu schmelzende Metall
induziert wird, so dass die Wärme unmittelbar am gewünschten
Ort entsteht und nicht durch Wärmeübertragung
unter Inkaufnahme von entsprechenden Verlusten in das zu erwärmende
Gut eingetragen werden muss.
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Bei
modernen Induktionstiegelöfen soll das zu schmelzende Metall
mit möglichst hoher Leistung und entsprechend in möglichst
kurzer Zeit aufgeschmolzen werden. Hierzu werden die den Tiegel
umgebenden Induktionsspulen in der Regel von leistungsstarken Mittelfrequenzumrichtern
gespeist, wobei die Betriebsfrequenz der Wechselrichter derart gewählt
ist, dass die Bewegung des Schmelzbades während des Aufschmelzvorgangs
mit voller Leistung nicht zu groß wird, so dass ein Auswerfen
des Schmelzgutes aus dem Ofen verhindert wird. Eine weitere Aufgabe
besteht darin, beispielsweise zum Durchführen von Legierungsarbeiten
bei flüssigem Ofeninhalt eine hohe Rührwirkung
bei möglichst kleiner Leistung zu erzielen. Hierzu sind
spezielle Umrichter mit Frequenzumschaltung im Einsatz, die die üblicherweise übereinander
angeordneten, den Tiegel umgebenden Induktionsspulen speisen. Als
nachteilig erweist sich hierbei regelmäßig, dass
sich innerhalb der Schmelze abhängig von der Anzahl der
eingesetzten Induktionsspulen mehrere Strömungswirbel übereinander
ausbilden (s. 2a), so dass eine vollständige
Durchmischung des Tiegelinhalts nur in sehr geringem Maße
möglich ist. Um die Ausbildung eines Wirbels über
die gesamte Höhe des Tiegelofens zu erreichen, welcher
eine vollständige Durchmischung der Schmelze erlaubt, ist
es möglich, die übereinander angeordneten Induktionsspulen
phasenversetzt zu speisen.
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Üblicherweise
sind aus dem Stand der Technik bekannte Induktionsöfen
mit zwei Stromversorgungen versehen, wobei ein Mittelfrequenzumrichter
zum Schmelzen und eine Netzfrequenzanlage zum Rühren eingesetzt
wird. Bei der Netzfrequenzanlage wird die 120°-Phasenverschiebung
der drei Wechselspannungen des Drehstromnetzes ausgenutzt, um die
gewünschte Rührwirkung mit einem sich über
die gesamte Höhe des Tiegels erstreckenden Wirbel zu erreichen
(s. 2b).
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Bei
einem aus der
DE
10 2005 053 798 A1 bekannten Induktionsofen wird anstelle
der Netzfrequenzanlage ein modifizierter Umrichter eingesetzt, welcher
mehrere unabhängig steuerbare Wechselrichter umfasst, die
jeweils einer parallel kompensierten Spule zugeordnet sind, so dass
allein durch Veränderung des Steuerverfahrens entweder
der Tiegelinhalt phasengleich mit hoher Leistung geschmolzen oder
aber phasenversetzt mit vergleichsweise geringer Leistung gerührt
werden kann. Hierbei bildet jede Induktionsspule mit der ihr zugeordneten
Kondensatorbatterie einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz
f
res unter Vernachlässigung des
Ohmschen Widerstandes der Spule näherungsweise durch folgende
Formel berechnet wird:
mit L: Induktivität
der Spule; C: Kapazität der Kondensatorbatterie
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Ist
bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Induktionsofen der
Tiegel voll mit flüssiger Schmelze gefüllt, so
haben alle Induktionsspulen des Ofens im Wesentlichen die gleiche
Induktivität und den gleichen ohmschen Widerstand, so dass
bei identischer Ausbildung der jeweiligen Kondensatorbatterien sich im
Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz und somit die gleiche
Leistungsaufnahme der einzelnen Teilsysteme ergibt.
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Diese
idealen Bedingungen treffen aber nur auf den voll mit flüssiger
Schmelze gefüllten Tiegel zu. In nahezu jedem anderen Betriebszustand
des Ofens, insbesondere bei einem teilgefüllten Tiegel
oder während des Aufschmelzvorgangs, bei dem der Tiegelinhalt
teils bereits in flüssiger, teils noch in fester Form vorliegt, können
sich die Induktivitäten und Widerstände der einzelnen
Induktionsspulen stark voneinander unterscheiden. Dies wiederum
hat zur Folge, dass die Resonanzfrequenzen der Teilsysteme sich
stark voneinander unterscheiden. So führt beispielsweise
eine um den Faktor 2 unterschiedliche Induktivität zweier
Induktionsspulen zu einer Abweichung in der Resonanzfrequenz von √2 .
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Wird
ein solches System mit einer mittleren Frequenz betrieben, so werden
beide Schwingkreise ca. 20% außerhalb ihres Resonanzpunktes
betrieben. Aufgrund des bekanntlich geringen Leistungsfaktors eines Induktionstiegelofens
(cosφ ≈ 0,1) muss in diesem Fall jeder Wechselrichter
ein mehrfaches seines Wirkstromes als Blindstrom liefern. Dies ergibt
sich aus der Betrachtung der Blindwiderstände, die sich
für die Induktionsspule zu
XL = 2π·f·Lund
für die Kondensatorbatterie zu
berechnen. Im Resonanzpunkt
sind beide Werte betragsmäßig gleich und kompensieren
sich daher zu Null. Beim Betrieb 20% außerhalb der Resonanz
steigt der jeweils eine Blindwiderstandswert um 25% an, während der
jeweils andere um 20% absinkt, so dass die Differenz 45% des Blindwiderstandswerts
im Resonanzpunkt beträgt. Dies wiederum bedeutet, dass
45% des Blindstromes vom Umrichter geliefert werden muss. Wegen des
Leistungsfaktors cosφ ≈ 0,1 ist jedoch der Blindstrom
ca. 10 mal größer als der Wirkstrom. Folglich
muss der Umrichter 10 mal 45% also das 4,5-fache des Wirkstroms
als Blindstrom liefern. Dieser Zusammenhang ist anschaulich den
Zeigerdiagrammen in
3a–c zu entnehmen.
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Der
entscheidende Nachteil des in der
DE 10 2005 053 798 A1 beschriebenen
Induktionsofen besteht somit darin, dass die einzelnen parallel
kompensierten Induktionsspulen unter realen Bedingungen praktisch nie
in ihrem jeweiligen Resonanzpunkt arbeiten, so dass die jeweils
installierte Wechselrichterleistung stark überdimensioniert
werden muss, um die gewünschte Wirkleistung in den Tiegel
einzukoppeln.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung zur Speisung von Induktionsöfen
der eingangs genannten Art anzugeben, die sowohl eine Schmelze mit
hoher Leistung als auch ein Rühren der Schmelze mit kleiner
Leistung und hoher Radbewegung in allen Betriebszuständen
des Induktionsofen bzw. Füllzuständen des Tiegels
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Stromversorgungseinrichtung
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch
gelöst, dass die Induktionsspulen bei phasengleichem Betrieb
parallel schaltbar sind.
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Durch
Parallelschaltung der Wechselrichter im phasengleichen Betrieb ist
es nunmehr möglich, über den gesamten Aufschmelzvorgang
die volle Leistung zu erreichen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die
parallel kompensierten Induktionsspulen bei der erfindungsgemäßen
Parallelschaltung ein gemeinsames Resonanzsystem mit einer zugeordneten
einheitlichen Resonanzfrequenz
fgesres bilden, auf die die einzelnen
Wechselrichter eingestellt werden können. Diese gemeinsame
Resonanzfrequenz berechnet sich zu:
mit n: Anzahl der Induktionsspulen
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Die
gemeinsame Resonanzfrequenz ist abhängig von den jeweiligen
Induktivitäten der einzelnen Induktionsspulen, die stark
voneinander abweichen können, beispielsweise wenn das zu
schmelzende Metall im Tiegel oben noch fest und unten bereits flüssig
ist. Während die Wechselrichter bei Induktionsöfen
des Standes der Technik in diesem Fall ein hohen Blindleistungsanteil
liefern müssen, wodurch die erreichbare Wirkleistung drastisch
sinkt, ist es im Falle der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung
möglich, durch Parallelschaltung der Induktionsspulen alle
Wechselrichter blindleistungsfrei im Resonanzpunkt des Gesamtsystems mit
der zugeordneten Resonanzfrequenz fgesres zu betreiben.
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Die
Parallelschaltung der Induktionsspulen kann bei der erfindungsgemäßen
Stromversorgungseinrichtung über Schalter verschiedener
Art erfolgen. So können die Schalter als mechanisch betätigbare
Schütze oder als Thyristorschalter ausgebildet sein.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst
die Stromversorgungseinrichtung insgesamt drei Induktionsspulen,
wobei bei phasenversetzter Ansteuerung der Induktionsspulen der Phasenwinkel
jeweils 120° beträgt. In diesem Betriebsmodus
wird somit die durch das Drehstromnetz vorgegebene Phasenlage der
einzelnen Drehstromwechselspannungen ausgenutzt. In diesem Fall
kann dann mit kleiner Leistung effizient das Schmelzbad mit einem
sich vom Tiegelboden bis zur Badoberfläche erstreckenden
Wirbel gerührt werden, wodurch beispielsweise ein effizientes
Legieren der Schmelze möglich ist.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
wenigstens eine der Induktionsspulen durch wenigstens zwei parallel
geschaltete Wechselrichter gespeist wird. Da die mit einem Wechselrichter
realisierbare Leistung begrenzt ist, kann durch Parallelschaltung
von Wechselrichtern die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung
auch für sehr hohe Leistungen eingesetzt werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
wenigstens zwei der Wechselrichter aus einem gemeinsamen Zwischenkreis
gespeist. Durch diese Art der Schaltung kann die erforderliche Anzahl
von Bauelementen in der Stromversorgungseinrichtung gesenkt werden,
was zu einer effektiven Kosteneinsparung führt.
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Der
Zwischenkreis des bzw. der Umrichter der erfindungsgemäßen
Stromversorgungseinrichtung ist bevorzugt als Spannungszwischenkreis
ausgebildet. Hierdurch lässt sich ein guter netzseitiger
Leistungsfaktor erzielen. Ferner können sämtliche
Wechselrichter der Stromversorgungseinrichtung aus einem gemeinsamen Zwischenkreis
von wenigstens einem gemeinsamen Gleichrichter gespeist werden,
wodurch der schaltungstechnische Aufwand für die Speisung
der einzelnen Wechselrichter minimiert werden kann.
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Besonders
bevorzugt sind die Wechselrichter mit IGBT-Halbleiterbauelementen
ausgeführt. Der Vorteil dieser speziell im Hochleistungsbereich
eingesetzten Halbleiterbauelemente besteht in einer hohen Sperrspannung
und der Fähigkeit, hohe Ströme schalten zu können.
Insbesondere ist an der Ausgangsseite der Wechselrichter jeweils
wenigstens eine Entkopplungsdrossel angeordnet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Stromversorgungseinrichtung für einen Induktionsofen nach
dem Stand der Technik,
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2a,
b das Strömungsfeld innerhalb eines Induktionstiegelofens
bei phasengleicher und phasenversetzter Ansteuerung,
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3a–c
das Stromzeigerdiagramm eines Wechselrichter gespeisten Parallelschwingkreises
im Resonanzpunkt sowie im Betrieb 20% oberhalb und unterhalb des
Resonanzpunktes,
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4 eine
erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung für
einen Induktionsofen,
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5 die
drei Wechselrichter der Stromversorgungseinrichtung aus 4 in
einer bevorzugten Schaltungsanordnung und
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6 das
Schaltbild eines Wechselrichters mit angeschlossener Entkopplungsdrossel
der Stromversorgungseinrichtung aus 4.
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In 1 ist
eine Stromversorgungseinrichtung für einen Induktionstiegelofen
nach dem Stand der Technik dargestellt. Sie umfasst drei Wechselrichter 1a', 1b', 1c' die
ihrerseits über Zwischenkreise jeweils an einen Gleichrichter
angeschlossen sind (nicht dargestellt). An der Ausgangsseite der
jeweils einphasig ausgeführten Wechselrichter 1a', 1b', 1c' ist
jeweils eine Induktionsspule 2a', 2b', 2c' angeschlossen,
die ihrerseits über eine Kondensatorbatterie 3a', 3b', 3c' parallelkompensiert
ist. Die Induktionsspulen 2a', 2b', 2c' sind übereinander
versetzt angeordnet und umgeben gemeinsam einen Tiegel 4',
welcher mit aufzuschmelzendem Metall gefüllt ist. Die Wechselrichter 1a', 1b', 1c' sind
jeweils in ihrer Frequenz einstellbar und darüber hinaus über
eine – nicht dargestellte – Steuereinheit phasengleich
oder phasenversetzt zueinander ansteuerbar.
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Beim
Aufschmelzen des im Tiegel 4' befindlichen Metalls werden
die drei Wechselrichter 1a', 1b', 1c' nun
phasengleich mit hoher Leistung betrieben. Da das Aufschmelzen des
Metalls über die gesamte Höhe des Tiegels 4' nicht
homogen erfolgt, ist beispielsweise das im unteren Bereich des Tiegels 4' vorhandene
Metall bereits verflüssigt, während das am oberen
Rand des Tiegels 4' vorhandene Metall noch fest ist. Aufgrund
der hieraus resultierenden stark voneinander abweichenden Induktivitäten
der einzelnen Induktionsspulen 2a', 2b', 2c' kann
maximal nur einer der durch die Induktionsspulen 2a', 2b', 2c' und
die ihnen jeweils zugeordneten Kondensatorbatterien 3a', 3b', 3c' jeweils
gebildeten Schwingkreise in Resonanz betrieben werden. Sinnvoller ist
jedoch der Betrieb mit einer mittleren Frequenz, die zwischen den
einzelnen Resonanzpunkten liegt. Die Stromversorgungseinrichtung
der 1 wird also in annähernd allen Betriebssituationen
des Induktionsofens mit einem hohen Blindleistungsanteil betrieben.
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In
den 3a, 3b, 3c sind
hierzu erläuternd die Stromzeigerdiagramme eines aus einer
Induktionsspule und ihrer zugeordneten Kondensatorbatterie jeweils
gebildeten, von einem Wechselrichter gespeisten Parallelschwingkreises
für verschiedene Betriebssituationen in der komplexen Ebene
dargestellt. Dabei beschreibt IL den Spulenstrom,
IC den Kondensatorstrom und IWR den
resultierenden Strom des jeweiligen Wechselrichters. Erläuternd
ist anzumerken, dass für den Spulenstrom IC auch
der ohmsche Widerstand der Induktionsspule berücksichtigt
ist, weshalb der Stromzeiger IL nicht parallel
zur Im-Achse ausgerichtet ist.
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Die 3b und
c stellen die Situation bei einem Betrieb außerhalb des
Resonanzpunktes dar, bei dem die am Wechselrichter eingestellte
Frequenz ca. 20% oberhalb (3b) bzw.
unterhalb (3c) der Resonanzfrequenz liegt.
Diese Situation liegt immer dann vor, wenn die durch die Induktionsspulen
und die Kondensatorbatterien jeweils gebildeten Schwingkreise infolge
unterschiedlicher Spuleninduktivitäten entsprechend unterschiedliche
Resonanzfrequenzen aufweisen.
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Unterschiedliche
Spuleninduktivitäten liegen insbesondere dann vor, wenn,
wie bereits erwähnt, der Tiegel nicht voll gefüllt
ist oder der Tiegelinhalt bereits teilweise aufgeschmolzen, teilweise
jedoch noch fest ist. In jedem Falle muss dann der Wechselrichter
mit einem hohen Blindleistungsanteil arbeiten, was durch einen nicht
auf der Re-Achse des Stromzeigerdiagramms liegenden Stromzeiger
IWR verdeutlicht wird.
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Der
im Zusammenhang mit
1 beschriebene Nachteil der
Stromversorgungseinrichtung des Standes der Technik wird durch die
in
4 dargestellte erfindungsgemäße
Stromversorgungseinrichtung überwunden. Diese umfasst wiederum
drei Wechselrichter
1a,
1b,
1c an deren
Ausgängen jeweils eine durch eine Kondensatorbatterie
3a,
3b,
3c parallelkompensierte
Induktionsspule
2a,
2b,
2c angeschlossen
ist. Wie im Falle der
1 sind die Induktionsspulen
2a,
2b,
2c zueinander
versetzt und übereinander angeordnet und umgeben das in
dem Tiegel
4 induktiv zu erwärmende Gut gemeinsam.
Ferner sind auch die Wechselrichter
1a,
1b,
1c in
ihrer Frequenz einstellbar und über eine wiederum nicht
dargestellte Steuereinheit phasenversetzt und phasengleich ansteuerbar.
Erfindungsgemäß sind nun die Induktionsspulen
2a,
2b,
2c über
Schalter
5a,
5b,
5c,
5d bei
phasengleichem Betrieb parallel schaltbar. Die Schalter können
als mechanische Schütze oder auch als Thyristorschalter
ausgebildet sein. Sind die Schalter
5a,
5b,
5c,
5d sämtlich
geschlossen, so bilden die drei Induktionsspulen
2a,
2b,
2c ein
gemeinsames Resonanzsystem mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz,
die sich wie folgt berechnet:
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Somit
kann das Aufschmelzen des Tiegelinhaltes mit voller Leistung in
kurzer Zeit erfolgen, ohne dass ein nennenswerter Blindleistungsanteil
in Kauf genommen werden muss.
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Im
Stromzeigerdiagramm der 3a ist
dies dargestellt. Hier sind die Wechselrichter 1a, 1b, 1c auf die
gemeinsame Resonanzfrequenz fgesres eingestellt, so dass ein reiner
Wirkstrom fließt, wie durch den auf der Re-Achse liegenden
Stromzeiger verdeutlicht wird. Hierdurch wird die volle Leistung
in den Tiegelinhalt eingekoppelt, so dass ein Aufschmelzen desselben
in kurzer Zeit erreicht werden kann.
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Ist
der Tiegel 4 mit Metallschmelze gefüllt, die beispielsweise
zum Zwecke des Legierens mit kleiner Leistung gerührt werden
soll, so werden die Schalter 5a, 5b, 5c, 5d geöffnet
und die Wechselrichter 1a, 1b, 1c phasenversetzt,
bevorzugt mit 120°-Phasenversetzung, betrieben, so dass
sich der in 2b dargestellte Wirbel in dem
Schmelzbad ausbildet.
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In 5 ist
nun eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Ansteuerung
der drei Wechselrichter 1a*, 1b*, 1c*,
die wiederum mit einstellbarer Frequenz betreibbar sowie phasengleich
oder phasenversetzt ansteuerbar sind, dargestellt. So werden hierbei
die drei Wechselrichter 1a*, 1b*, 1c* aus
einem gemeinsamen Zwischenkreis 6, der vorliegend als Spannungszwischenkreis
ausgeführt ist, von einem gemeinsamen Gleichrichter 5 gespeist.
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In 6 ist
schließlich das Schaltbild eines einzelnen Wechselrichters 1a,
wie er in der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung
zum Einsatz kommt, dargestellt. Auf der Eingangsseite wird er bevorzugt durch
die Gleichspannung des Zwischenkreises eines Umrichters gespeist.
Auf der Ausgangsseite liegt eine einphasige Wechselspannung an.
Der Wechselrichter 1a ist vorliegend mit vier IGBT-Halbleiterbauelementen 11a, 12a, 13a, 14a ausgerüstet.
Diese haben den Vorteil, eine hohe Sperrspannung zu besitzen und
hohe Ströme schalten zu können. Anstelle von IGBT-Halbleiterbauelementen
können jedoch auch andere abschaltbare Halbleiterbauelemente,
wie z. B. MOS-FET, GTO oder Transistoren, zum Einsatz kommen. Wie
der 6 ferner zu entnehmen ist, ist an der Ausgangsseite
des Wechselrichters 1a eine Entkopplungsdrossel 7 vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005053798
A1 [0005, 0009]
