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Die Erfindung bezieht sich auf ein verlustbehaftetes dreiphasiges Tiefpassfilter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im Handel erhältliche Spannungszwischenkreis-Umrichter, die auch als Frequenzumrichter bezeichnet werden, weisen lastseitig sehr häufig ein so genanntes Ausgangs-Sinusfilter auf. Mittels dieses Ausgangs-Sinusfilters sollen die hochfrequenten Anteile einer jeden gepulsten Ausgangsspannung dieses Frequenzumrichters derart herausgefiltert werden, dass nur eine Grundschwingungsspannung an einer an den lastseitigen Anschlüssen des Frequenzumrichters angeschlossenen Last, insbesondere einem elektrischen Motor, übrig bleibt. Ein derartiges Sinusfilter besteht üblicherweise aus einer Filterdrossel und einem Filterkondensator, die als LC-Tiefpass geschaltet sind. Diese Filterelemente sind derart abgestimmt, dass eine Eckfrequenz dieses Sinusfilters zwischen einer maximal auftretenden Grundschwingungsfrequenz und einer Schaltfrequenz des Frequenzumrichters liegt.
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LC-Tiefpassfilter weisen eine Resonanzfrequenz auf. Wird ein derartiges Filter in der Nähe dieser Resonanzfrequenz angeregt, wird diese Anregung sehr schnell verstärkt. Diese Anregung kann durch Netzoberschwingungen oder Harmonische eines an einem Netz angeschlossenen Frequenzumrichters erfolgen.
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Wegen dieser Problematik wird ein Tiefpassfilter so ausgelegt, dass in der Nähe der Resonanzfrequenz keine Anregung erfolgt. Da Anregungen nicht gänzlich ausgeschlossen werden können, sind Dämpfungswiderstände als Dämpfungselemente vorgesehen, die eine auftretende Resonanzüberhöhung in tolerierbaren Grenzen halten. Jedoch muss man bei diesen gedämpften Tiefpassfiltern mit einer erhöhten Verlustleistung rechnen.
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Diese LC-Tiefpassfilter, insbesondere verlustbehaftete Tiefpassfilter, werden als Netzfilter oder als Ausgangs-Sinusfilter bei Frequenzumrichtern verwendet. Tiefpassfilter, die die beschriebene Problematik aufweisen, sind daran zu erkennen, dass bei ihnen der Effektivwert eines Kondensatorstroms im Falle einer Anregung in der Resonanz größer wird als im Normalbetrieb.
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In der
1 ist ein lastseitiger Stromrichter
2, insbesondere ein Wechselrichter, eines nicht vollständig dargestellten Frequenzumrichters mit einem Ausgangs-Sinusfilter
4 dargestellt (
1 der
EP 0 682 401 B1 ). Vom Frequenzumrichter ist neben dem lastseitigen Stromrichter
2 ein Zwischenkreis
6 dargestellt, der zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren
8 und
10 aufweist. Der Verbindungspunkt dieser beiden Kondensatoren
8 und
10 bildet einen so genannten Mittelpunkt (Neutral Point) NP. An den ausgangsseitigen Anschlüssen
12,
14 und
16 des Frequenzumrichters, die die wechselspannungsseitigen Anschlüsse des lastseitigen Stromrichters
2 sind, sind die Eingänge des Ausgangs-Sinusfilters
4 angeschlossen. Als Ausgangs-Sinusfilter
4 ist ein verlustbehaftetes LC-Tiefpassfilter vorgesehen. Dieses verlustbehaftete dreiphasige Tiefpassfilter
4 weist pro Phase eine Filterdrossel
18 und einen Filterkondensator
20 auf. Diese Filterkondensatoren
20 sind elektrisch in Stern geschaltet. Jeweils ein Verbindungspunkt einer Filterdrossel
18 mit einem Filterkondensator
20 bildet eine Ausgangsklemme
22,
24 und
26 des Ausgangs-Sinusfilters
4. An diesen Ausgangsklemmen
22,
24 und
26 ist eine dreiphasige Last
28, insbesondere ein elektrischer Motor, angeschlossen.
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In der
2 ist ein Blockschaltbild eines gattungsgemäßen verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters
30 dargestellt. Dieses Tiefpassfilter
30 ist aus der
EP 0 682 402 B2 , insbesondere aus der
1 dieser Patentschrift, bekannt. Dieses verlustbehaftete dreiphasige Tiefpassfilter
30 unterscheidet sich vom Tiefpassfilter
4 gemäß
1 dadurch, dass jeweils ein Dämpfungselement
32 elektrisch in Reihe zu einem Filterkondensator
20 geschaltet ist. Als Dämpfungselement
32 ist jeweils ein ohmscher Widerstand vorgesehen. Mittels dieser Dämpfungselemente
32 werden die Effektivwerte der Kondensatorströme im Falle einer Anregung in der Resonanz gedämpft. Die Verwendung von ohmschen Widerständen als Dämpfungselemente
32 weist den Nachteil auf, dass bei kleiner Resonanzanregung des Tiefpassfilters
30 die Dämpfung weniger wirksam ist. Bei großer Anregung steigt nicht nur die Dämpfungswirkung, sondern es steigen auch die Dämpfungsverluste quadratisch mit dem Kondensatorstrom an. Diese Verluste werden umso größer, je starker eine Dämpfung wirken soll.
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Ein gattungsgemäßes Tiefpassfilter ist aus der
DE 33 25 612 C2 bekannt. Bei diesem bekannten verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilter sind die gleichspannungsseitigen Anschlüsse der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung mittels einer Gleichspannungsquelle miteinander verbunden. Dabei ist diese Gleichspannungsquelle derart verschaltet, dass deren Gleichspannung entgegengesetzt zur Eingangsspannung des verlustbehafteten Tiefpassfilters gerichtet ist. Somit wirkt diese 6-pulsige Dioden-Brückenschaltung als Dämpfungselement des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters. Mit diesem Dämpfungselement können Schwingungen infolge stufenartiger Spannung in Abhängigkeit des Betrages der Gleichspannung der Gleichspannungsquelle auf nahezu Null unterdrückt werden. Nachteilig wirkt sich aus, dass eine zusätzliche Gleichspannungsquelle benötigt wird, deren Gleichspannung auf das Tiefpassfilter abgestimmt sein muss. Diese Gleichspannungsquelle benötigt einen zusätzlichen Platz und muss verdrahtet werden.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Tiefpassfilter derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile nicht mehr auftreten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit den gattungsgemäßen Merkmalen gelöst.
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Erfindungsgemäß sind die gleichspannungsseitigen Anschlüsse der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung mittels eines Kurzschluss-Strompfades miteinander elektrisch leitend verbunden. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform besitzt den Vorteil, dass diese in einer 6-pulsigen Brückenschaltung verschalteten Dioden im Handel als Sixpackmodul erhältlich sind, wobei deren gleichspannungsseitigen Anschlüsse mittels einer Kurzschlussbrücke nur noch elektrisch leitend verbunden werden müssen. Mittels eines derartigen Moduls können die Dioden sehr effektiv gekühlt werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters ist im gleichspannungsseitigen Kurzschluss-Strömpfad der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung ein Dämpfungselement, insbesondere ein ohmscher Widerstand, angeordnet. Durch dieses Dämpfungselement im gleichspannungsseitigen Kurzschluss-Strompfad wird die Dämpfungswirkung des Dämpfungselements in Abhängigkeit des Wertes des ohmschen Widerstandes erhöht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters nach der Erfindung ist als Dämpfungselement im gleichspannungsseitigen Kurzschluss-Strompfad der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung als Dämpfungselement ein Verbraucher, insbesondere ein Lüfter, vorgesehen. Dadurch wird die anfallende Dämpfungsenergie nicht in Wärme umgewandelt und an die Umgebungsluft abgegeben, sondern nutzbringend verwendet. Wird als Verbraucher ein Lüfter vorgesehen, so kann dieser Lüfter zur Kühlung des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters und/oder zur Kühlung von Stromrichterventilen eines Frequenzumrichters verwendet werden, an dessen Ausgängen der verlustbehaftete Tiefpassfilter angeschlossen ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters nach der Erfindung ist als Verbraucher im Kurzschluss-Strompfad der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung als Dämpfungselement ein Schaltnetzteil vorgesehen, mit dem die anfallende Dämpfungsenergie in einen Zwischenkreis eines Frequenzumrichters, an dessen Ausgängen dieser verlustbehaftete Tiefpassfilter angeschlossen ist, zurückgespeist wird. Mittels des Schaltnetzteils als Verbraucher des gleichspannungsseitigen Kurzschluss-Strompfades der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung als Dämpfungselemente des Kurzschluss-Strompfades der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung des Tiefpassfilters kann die Ausgangsspannung der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung auf einen vorbestimmten Wert geregelt werden. Dadurch kann eine gewünschte Dämpfung eingestellt werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters nach der Erfindung ist der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung als Dämpfungselement des Kurzschluss-Strompfades der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung des Tiefpassfilters ein Filter, insbesondere eine Bandsperre, vorgeschaltet. Dadurch wird der Strom in der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung auf Frequenzanteile beschränkt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des Tiefpassfilters liegen. Dies hat den Vorteil, dass nur die Frequenzanteile des Kondensatorstroms des verlustbehafteten Tiefpassfilters gedämpft werden, die zu einer Resonanz aufschwingen können. Dadurch sinkt die Strombelastung der Dioden der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung erheblich, wodurch Dioden mit einer geringeren Strombelastung verwendet werden können. Somit sinkt nicht nur der Platzbedarf der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung, sondern auch deren Preis.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Teils eines Frequenzumrichters mit einem bekannten Ausgangs-Sinusfilter, die
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines Teils eines Frequenzumrichters mit einem bekannten verlustbehafteten Ausgangs-Sinusfilter, in der
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3 ist eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters veranschaulicht, und die
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4 bis 7 zeigen jeweils eine vorteilhafte Ausführungsform der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tiefpassfilters nach 3.
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Die 3 zeigt eine erste Ausführungsform eines verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 nach der Erfindung. Dieses verlustbehaftete dreiphasige Tiefpassfilter 34 ist ebenfalls eingangsseitig mit ausgangsseitigen Anschlüssen 12, 14 und 16 des lastseitigen Stromrichters 2 eines Frequenzumrichters verknüpft. An den Ausgangsklemmen 22, 24 und 26 dieses Tiefpassfilters 34 ist eine dreiphasige Last 28 angeschlossen. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 unterscheidet sich von der Ausführungsform eines bekannten verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 30 gemäß 2 dadurch, dass anstelle von drei ohmschen Widerständen als Dämpfungselemente 32 eine 6-pulsige Dioden-Brückenschaltung vorgesehen ist, deren gleichspannungsseitige Anschlüsse 40 und 42 mittels eines Kurzschluss-Strompfades 44 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Durch die Verwendung einer gleichspannungsseitig kurzgeschlossenen 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung findet eine nennenswerte Bedämpfung bereits beim Fließen eines geringen Filterstroms statt. Die Dämpfung ist ebenfalls wie bei der bekannten Ausführungsform mit Widerständen als Dämpfungselemente 32 gemäß 2 stromabhängig, wobei die Verluste linear mit der Anregung steigen und nicht mehr quadratisch wie beim Widerstand als Dämpfungselement 32. Geringere Verlustleistung im Filter 34 bedeutet auch, dass die Elemente des Filters 34 weniger gekühlt werden müssen. Außerdem erlaubt dies einen kompakteren Aufbau des verlustbehafteten Tiefpassfilters 34. Das heißt, dass ein derartiges erfindungsgemäßes Filter 34 einfacher in einem Frequenzumrichter untergebracht werden kann.
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Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform eines verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 besteht darin, dass für die 6-pulsige Dioden-Brückenschaltung im Handel erhältliche Diodenmodule in Sixpack-Ausführung verwendet werden können. Diese Module beanspruchen weniger Platz als Einzeldioden. Außerdem werden die Dioden in diesem Sixpackmodul effektiver gekühlt und die Montage eines derartigen Moduls vereinfacht sich ebenfalls.
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In der 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen dreiphasigen verlustbehafteten Tiefpassfilters 34 schematisch veranschaulicht. Diese vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 3 dadurch, dass im Kurzschluss-Strompfad 44 zwischen den beiden Anschlüssen 40 und 42 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung ein Dämpfungselement angeordnet ist. Als Dämpfungselement des Kurzschluss-Strompfades 44 ist in dieser Ausführungsform ein ohmscher Widerstand 46 vorgesehen, dem ein Kondensator 48 elektrisch parallel geschaltet ist. Durch die Verwendung eines Widerstandes 46 als Dämpfungselement des Kurzschluss-Strompfads 44 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung steigt die dämpfende Wirkung dieser 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 wesentlich an. Der Kondensator 48 glättet eine an den Anschlüssen 40 und 42 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung anstehende Spannung U1 und begrenzt diese ebenfalls. Aus diesen Gründen wird der Kondensator 48 auch als Glättungskondensator bezeichnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 nach 3 ist als Dämpfungselement im Kurzschluss-Strompfad 44 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung ein elektrischer Verbraucher 50, insbesondere ein Lüfter, vorgesehen (5). Dadurch wird die Verlustleistung des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 nicht in Wärme umgewandelt und an die Umgebungsluft abgegeben, sondern zum Antrieb eines Lüfters verwendet. Das heißt, die Verlustleistung wird nutzbringend verwendet. Zur Abfuhr von Verlustleistung wird bei einer zwangsgeführten Kühlung ein Lüfter benötigt, der mit einer Versorgungsspannung versorgt werden muss. Diese Versorgungsspannung wird vom Frequenzumrichter bereitgestellt oder aus einem Versorgungsnetz abgeleitet. In dieser weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird diese Versorgungsspannung aus der Verlustleistung der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung des verlustbehafteten Tiefpassfilters 34 gedeckt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 nach 3 ist in der 6 näher dargestellt. Diese weitere vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß 5 dadurch, dass als elektrischer Verbraucher 50 des Dämpfungselementes im Kurzschluss-Strompfad 44 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung ein Schaltnetzteil vorgesehen ist. Jeder der beiden Ausgänge 52 und 54 dieses Schaltnetzteils ist mit einem gleichspannungsseitigen Anschluss 56 und 58 des lastseitigen Stromrichters 2 eines Frequenzumrichters verbunden, an dessen ausgangsseitigen Anschlüssen 12, 14 und 16 dieses verlustbehaftete dreiphasige Tiefpassfilter 34 angeschlossen ist. Durch die Verwendung eines Schaltnetzteils als elektrischer Verbraucher 50 als Dämpfungselement des Kurzschluss-Strompfades 44 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung kann die Dämpfungsenergie in den Zwischenkreis 6 des Frequenzumrichters zurückgespeist werden.
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Außerdem kann eine Eingangsspannung U1, die am Glättungskondensator 48 des Kurzschluss-Strompfades 44 abfällt, geregelt werden. Eine einfache Möglichkeit besteht darin, für diese Eingangsspannung U1 des Schaltnetzteils einen vorbestimmten Wert festzulegen. Sind die anregenden Ströme in den Filterkondensatoren 20 klein und dadurch die Filteranregung klein, so wird weniger Dämpfungsenergie zurückgespeist. Sind die Filterströme und damit die Filteranregung groß, so wird viel Energie zurückgespeist. Damit bietet diese weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 gemäß 3 die Möglichkeit, eine gewünschte Dämpfung wählbar einstellen zu können.
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Als Schaltnetzteil können alle bekannten Topologien verwendet werden. Da der Spannungsunterschied zwischen der Eingangsspannung U1 des Schaltnetzteils und der Zwischenkreis-Spannung UZW des Frequenzumrichters in der Regel sehr groß ist, bieten potentialtrennende Schaltnetzteile einen besonderen Vorteil.
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In der 7 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 nach 3 näher dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 6 dadurch, dass der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung ein Filter 60 vorgeschaltet ist. Als Filter 60 ist eine Bandsperre vorgesehen. Diese Bandsperre 60 weist jeweils einen Filterkondensator 62 und eine Filterdrossel 64 auf, die elektrisch parallel geschaltet sind. Diese drei Parallelschaltungen sind elektrisch in Dreieck geschaltet. Alternativ wäre auch eine Sternschaltung möglich. Die Anschlüsse 66, 68 und 70 dieser Bandsperre 60 sind mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen 72, 74 und 76 einer jeden Reihenschaltung zweier Dioden 36 und 38 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung elektrisch leitend verbunden, an denen auch jeweils ein Anschluss eines Filterkondensators 20 des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 angeschlossen ist. Mittels dieser Bandsperre 60 wird der Strom in der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung auf die Frequenzanteile beschränkt, die im Bereich der Resonanzfrequenz des Tiefpassfilters 34 sind. Dies hat den Vorteil, dass nur die Frequenzanteile des Stromes durch die Filterkondensatoren 20 des Tiefpassfilters 34 bedämpft werden, die zu einer Resonanz aufschwingen können. Somit sinkt die Strombelastung einer jeden Diode 36 und 38 der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung erheblich, was zur Folge hat, dass Dioden mit einer geringeren Strombelastung bzw. ein Diodenmodul in Sixpack-Ausführung mit geringerer Strombelastung verwendet werden kann. Derartige Dioden bzw. ein derartiges Dioden-Sixpackmodul ist kostengünstiger und benötigt einen geringeren Aufwand für die Abfuhr von Verlustleistung.
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Die in den Ausführungsformen gemäß den 6 und 7 vorhandene Spannung U1, die am Glättungskondensator 48 des Kurzschluss-Strompfades 44 abfällt, kann zusätzlich als Eingangsgröße einer Schutzfunktion verwendet werden. Übersteigt der Wert dieser Spannung U1 einen vorbestimmten zulässigen Grenzwert, so wird daraus geschlossen, dass die Ströme durch die Filterkondensatoren 20 des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 unzulässig hoch sind. Diese Überschreitung eines Grenzswertes wird zur Generierung einer Schutzabschaltung des Frequenzumrichters verwendet, an dessen Ausgängen 12, 14 und 16 das verlustbehaftete dreiphasige Tiefpassfilter 34 angeschlossen ist.
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Durch die Verwendung einer kurzgeschlossenen 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung als Dämpfungselement bei einem verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilter 34 reduziert sich die Verlustleistung dieses verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 erheblich, ohne dabei in der Dämpfungswirkung nachzulassen. Außerdem besteht die Möglichkeit, die dämpfende Wirkung der 6-pulsigen Dioden-Brückenschaltung des verlustbehafteten dreiphasigen Tiefpassfilters 34 effektiver zu gestalten.
