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Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, der einen Gleichspannungseingang für mindestens eine Gleichspannungsquelle aufweist, und der eine dreiphasige Brückenschaltung aufweist, deren ausgangsseitige Phasenleiter mit einem dreiphasigen Wechselspannungsnetz verbindbar sind, wobei der Wechselrichter keine Verbindung zum Neutralleiter des Wechselspannungsnetzes herstellt, wobei mit den Phasenleitern jeweils ein Kondensator verbunden ist, und die Kondensatoren einen gemeinsamen Verknüpfungspunkt aufweisen.
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Ein derartiger dreiphasiger Wechselrichter ist in der europäischen Patentanmeldung
EP 2 107 672 A1 beschrieben. Dieses Dokument erläutert insbesondere, dass ein Wechselrichter ohne Anbindung an einen Neutralleiter mit einer geringeren Zwischenkreisspannung arbeiten kann, wodurch die Spannungsbelastung der Leistungshalbleiter verringert und deren Wirkungsgrad erhöht werden kann.
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Solche Wechselrichter werden verwendet, um beispielsweise durch eine Photovoltaik- oder eine Windkraftanlage generierte elektrische Energie in das öffentliche Netz eines Energieversorgers einzuspeisen. Ein gattungsgemäßer Wechselrichter erzeugt eine dreiphasige Wechselspannung, die ohne Verbindung zum Neutralleiter in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann.
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Bei dreiphasiger Einspeisung ohne Neutralleiter kommt es an den Anschlüssen der Gleichspannungsquelle ohne zusätzliche Maßnahmen zu taktfrequenten Spannungshüben gegen das Potential des Schutzleiters (PE-Leiter, ”protective earth”). Diese Spannungshübe haben aufgrund von Ableitkapazitäten Ableitströme gegen den Schutzleiter zur Folge, die relativ hohe Werte annehmen können und die nicht akzeptabel sind, da sie den Betrieb der Anlage stören und zum Auslösen von Fehlerstromschutzschaltern führen können.
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Es stellte sich die Aufgabe, einen Wechselrichter, der keine direkte Verbindung zum Neutralleiter eines angeschlossenen dreiphasigen Spannungsnetzes aufweist, so auszugestalten, dass eingangsseitige taktfrequente Spannungshübe möglichst gering sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zwischenkreis des Wechselrichters mit einer seriellen Anordnung von Symmetrierkondensatoren verbunden ist, die über einen Dämpfungswiderstand mit dem Verknüpfungspunkt verbunden ist.
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Die durch die Symmetrierkondensatoren fließenden Ströme werden so über den Dämpfungswiderstand auf ein virtuelles Neutralleiterpotential am Verknüpfungspunkt abgeleitet und dämpfen dadurch die taktfrequenten Spannungshübe an der Gleichspannungsquelle.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist der Wechselrichter einen Mikrocontroller auf, der die Spannung an einem Symmetrierkondensator erfasst, die erfasste Spannung als Eingangsgröße in einem internen Regelkreis verwendet, durch den die Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Brückenschaltung beeinflusst wird. Hierdurch können im Zusammenwirken mit den Dämpfungseigenschaften des Dämpfungswiderstand taktfrequente Spannungshübe besonders effizient ausgeregelt werden.
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Der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Schaltskizze eines erfindungsgemäßen Wechselrichters,
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2 ein Plot diverser Spannungen,
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3 eine Ausschnittsvergrößerung aus der 2,
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4 ein erstes Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters,
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5 eine Schaltskizze eines Wechselrichters nach dem Stand der Technik,
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6 Spannungsplots zum Wechselrichter gemäß der 5,
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7 eine Ausschnittsvergrößerung aus der 6,
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8 eine Schaltskizze eines weiteren Wechselrichters nach dem Stand der Technik,
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9 ein zweites Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters,
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10 ein drittes Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Wechselrichters,
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11 eine Regelstrecke des erfindungsgemäßen Wechselrichters.
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Zunächst soll das zur Erfindung führende Problem anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierzu skizziert die 5 in stark vereinfachender Weise funktionswesentliche Komponenten eines Wechselrichters WR nach dem Stand der Technik.
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Der Wechselrichter WR weist eine dreiphasige Brückenschaltung auf, die aus drei Brückenzweigen B1, B2, B3 besteht. Die dargestellten Schaltersymbole stehen vereinfachend für steuerbare Leistungshalbleiter, die über nicht dargestellte Schaltungskomponenten gesteuert werden.
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Mit den Brückenzweigen B1, B2, B3 ist jeweils eine Glättungsinduktivität LD verbunden, deren Ausgangleitungen die drei Phasenleiter P1, P2, P3 des Wechselrichters WR bilden, welche mit den drei Phasen eines Wechselspannungsnetzes WN verbindbar sind. Eine Anbindung des Wechselrichters WR an den Neutralleiter N des Wechselspannungsnetzes WN besteht nicht.
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Mit den Phasenleitern P1, P2, P3 ist jeweils ein Kondensator CX verschaltet. Die freien Anschlüsse der Kondensatoren CX, die nachfolgend auch als X-Kondensatoren bezeichnet werden, sind an einem gemeinsamen Verknüpfungspunkt VK miteinander verbunden. Die X-Kondensatoren CX. bilden zusammen ein Netzfilter NF aus, welches die Einspeisung von Störsignalen in das Wechselspannungsnetz WN verhindert.
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Am Eingang des Wechselrichters WR ist eine Gleichspannungsquelle DC angeschlossen, die eine so genannte Zwischenkreisspannung uZK einspeist. Als Energiespeicher ist ein Zwischenkreiskondensator CZK vorgesehen. Die Gleichspannungsquelle DC ist hier beispielhaft ein Solargenerator SG, der aus einer Reihenschaltung von mehreren Solarmodulen (Panels) besteht. Den Verbindungsstellen der Module kann jeweils eine Ableitkapazität CPE gegen das Potential des Schutzleiters PE zugeordnet werden.
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Durch die Schaltvorgänge der Leistungshalbleiter in den Brückenzweigen B
1, B
2, B
3 kommt es zu Spannungsänderungen an den Modulen des Solargenerators SG, wodurch Ableitströme i
C durch die Ableitkapazitäten C
PE entstehen. Für diese Ableitströme i
C gilt allgemein:
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Die Spannungssteilheit beim Wechsel von einem Schaltzustand in den nächsten kann im Bereich von 10 kV/μs liegen. Wenn der Differentialquotient einen derart hohen Wert aufweist, dann verursachen bereits kleinste Ableitkapazitäten CPE signifikante Ableitströme iC, die den Betrieb der Anlage stören und zum Auslösen von Fehlerstromschutzschaltern führen können.
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Die 6 zeigt in einem ersten Simulationsplot 1 den Verlauf der Netzspannungen uL1, uL2, uL3 über einen Zeitraum von 50 ms. Plot 2 zeigt für den gleichen Zeitraum die zugehörigen Zwischenkreispotentiale uZK+, uZK– wie sie sich ohne zusätzliche Maßnahmen gegen das Potential des Schutzleiters PE einstellen. Die 7 bildet diese Signale in einer zeitgespreizten Vergrößerung im Zeitraum von t = 20 ms bis t = 21 ms ab. In der 7, Plot 2 sind die taktfrequenten Spannungshübe der Zwischenkreispotentiale uZK+, uZK– deutlich als einzelne Peaks zu erkennen.
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Ein möglicher Weg zur Unterdrückung derartiger Spannungshübe auf den Zwischenkreispotentialen uZK+, uZK– ist der Einsatz von Filterdrosseln LZK, die in Reihe zum Solargenerator SG geschaltet werden. Das Ziel ist, dass die hochfrequenten Spannungsflanken an den Filterdrosseln LZK abfallen. Die Verwendung solcher Filterdrosseln LZK ist in der 8 skizziert.
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Der Einsatz der Filterdrosseln LZK, besonders in Verbindung mit gegen das Schutzleiterpotential geschalteten Ableitkondensatoren CY, ist eine sehr wirkungsvolle Maßnahme. Der größte Nachteil dieser Anordnung besteht in den hohen Kosten der Filterdrosseln LZK, weil diese für den vollen Strom des Solargenerators SG auszulegen sind. Darüber hinaus verursachen die Filterdrosseln LZK noch Verluste, die den Gesamtwirkungsgrad der Anlage senken. Je nach Auslegung der Ableitkondensatoren CY ist auch noch mit zusätzlichen Ableitströmen zu rechnen.
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Zur Beseitigung dieser Nachteile ist erfindungsgemäß ein kapazitives Symmetriernetzwerk SN vorgesehen, welches Bestandteil der in der 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist. Mit den Leitungen des Zwischenkreises sind, außer dem Zwischenkreiskondensator CZK, zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren CSym verbunden, die im folgenden auch als Symmetrierkondensatoren bezeichnet werden, und die nachfolgend, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, als gleich dimensioniert angenommen werden. Die Symmetrierkondensatoren CSym weisen dabei im allgemeinen deutlich geringere Kapazitätswerte auf als der Zwischenkreiskondensator CZK.
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Der Mittelpunkt des durch die Symmetrierkondensatoren CSym gebildeten kapazitiven Spannungsteilers stützt sich über einen Dämpfungswiderstand RD auf einem von den X-Kondensatoren CX gebildeten virtuellen Neutralleiterpotential ab. Die daraus im Symmetriernetzwerk SN resultierenden Ströme werden so über den Dämpfungswiderstand RD auf das virtuelle Neutralleiterpotential am Verknüpfungspunkt VK abgeleitet, wodurch die taktfrequenten Spannungshübe am Solargenerator SG wirksam unterdrückt werden. Neben der Ausbildung eines virtuellen Neutralleiterpotentials wirken die X-Kondensatoren CX auch hier vorteilhafterweise zugleich als Netzfilter NF.
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Die 2 zeigt in einem Simulationsplot 1 wiederum den Verlauf der Netzspannungen uL1, uL2, uL3. Im Plot 2 sind die Zwischenkreispotentiale uZK+, uZK–, gemessen gegen das Potential des Schutzleiters PE dargestellt. Alle taktfrequenten Spannungshübe werden hier von den Symmetrierkondensatoren CSym herausgefiltert. Es verbleibt lediglich eine 150 Hz-Komponente, die sich durch die dreiphasige Einspeisung und durch das Schaltmuster des Wechselrichters WR ergibt. Die erkennbare, relativ geringe Restwelligkeit der Zwischenkreispotentiale uZK+, uZK– ist für den normalen Betrieb akzeptabel.
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Zur Verdeutlichung zeigt die 3 wiederum zeitvergrößerte Ausschnitte aus den Abbildungen der 2. Im Plot 3 der 3 ist der Umladestrom iSym des Symmetriernetzwerkes zu erkennen. Dieser Umladestrom iSym fließt in den von den X-Kondensatoren gebildeten Verknüpfungspunkt VK ab. Dieser Punkt bildet ein virtuelles Neutralleiterpotential und weist damit ungefähr das Potential des Schutzleiters PE auf.
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Zu erkennen ist, dass die Rückkopplung der Symmetrierkondensatoren CSym auf den virtuellen Neutralleiter am Verknüpfungspunkt VK zu einem schwingfähigen System mit einer Dämpfung führt. Am Beginn der Plots 2 und 3 der 2 ist jeweils der gedämpfte Einschwingvorgang zu erkennen.
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Das in der
4 dargestellte Wechselspannungsersatzschaltbild zeigt den durch den Schaltungsaufbau der
1 gebildeten Reihenschwingkreis. Die Resonanzfrequenz f dieses Systems lässt sich gemäß der allgemeinen Schwingungsgleichung berechnen:
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Die Resonanzfrequenz f kann durch die Dimensionierung der Bauteile (Csym, Cx, LD) so gelegt werden, dass das System weder netzseitig noch von den Schalthandlungen des Wechselrichters WR angeregt wird. Typische Resonanzfrequenzen liegen dann beispielsweise im Bereich von 2 bis 3 kHz.
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Dämpfend wirkt in diesem System lediglich der ohmsche Widerstand der Glättungsinduktivitäten L
D und der ohmsche Dämpfungswiderstand R
D. Eine Vergrößerung des Dämpfungswiderstand R
D führt zu einer besseren Dämpfung, allerdings stellt sich im normalen Betrieb des Gerätes eine stationäre Verlustleistung ein:
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Typische Werte für den Dämpfungswiderstand RD liegen im Bereich von 500 mΩ bis 1 Ω. Hier ist ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und Dämpfungsverhalten zu finden.
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Der große Vorteil der vorgeschlagenen kapazitiven Symmetrierung sind die geringen Kosten im Vergleich zur induktiven Unterdrückung der Schaltflanken durch Filterdrosseln LZK, wie anhand der 8 erläutert. Darüber hinaus werden die Symmetrierströme iSym nicht gegen den Schutzleiter PE, sondern in das von den X-Kondensatoren CX gebildeten virtuelle Neutralleiterpotential abgeleitet. Die X-Kondensatoren CX sind oftmals bereits ein Teil eines bestehenden Netzfilters zur Beseitigung von elektromagnetischen Störsignalen und verursachen in diesen Fällen keinen zusätzlichen Aufwand.
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Der Umladestrom iSym hängt nicht von dem in das Wechselspannungsnetz WN einzuspeisenden Strom ab, sondern vom Spannungshub an den Glättungsinduktivitäten LD, sowie von der Zwischenkreisspannung uZK. Durch den Einsatz von Folienkondensatoren im Zwischenkreis und im Eingang des Wechselspannungsnetzes WN treten in den Kondensatoren CSym, CX keine nennenswerten Verlustleistungen auf. Lediglich bei der Dimensionierung des Dämpfungswiderstands RD ist die entstehende Verlustleistung zu beachten.
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Zur Steuerung der steuerbaren Leistungsschalter in den Brückenzweigen B1, B2, B3 ist ein Mikrocontroller MC vorgesehen. Es ist vorausgesetzt, dass der Mikrocontroller MC durch nicht dargestellte Messvorrichtungen Spannungswerte an verschiedenen Schaltungspunkten des Wechselrichters WR erfassen kann.
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Bei einem kapazitiven Symmetriernetzwerkes SN, wie es in der 1 dargestellt ist, kann es, wie bereits erwähnt, zu Schwingungen des gesamten Zwischenkreises gegenüber dem Schutzleiterpotential PE kommen. Diese Schwingungen bilden sich dann direkt in den Ausgangsströmen iL1, iL2, iL3 des Wechselrichters WR ab, da die Dynamik einer einfachen Stromregelung nicht zur Ausregelung ausreicht.
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Um diese Schwingungen regelungstechnisch zu bedämpfen, wird nun die Spannung uSym eines Symmetrierkondensators CSym vom Mikrocontroller MC mit erfasst. Parallel dazu wird im Mikrocontroller MC eine ideelle Symmetrierspannung uSym_ideell berechnet. Für die Berechnung werden die Zwischenkreispotentiale uZK+, uZK– gegenüber dem Potential des Schutzleiters PE benötigt, die ebenfalls vom Mikrocontroller MC ermittelt werden. Zur Erläuterung der Berechnung dieser ideellen Symmetrierspannung uSym_ideell soll nun von einem vereinfachten Schaltbild ausgegangen werden, das in der 9 dargestellt ist.
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Zeichnet man dieses Schaltbild gemäß der Darstellung der 10 um, dann können die Gleichungen für die Berechnung der ideellen Symmetrierspannung uSym_ideell direkt aufgestellt werden. Der Dämpfungswiderstand RD wird hier vernachlässigt, weil die Berechnung sonst auf ein Differentialgleichungssystem führen würde, in dem auch die zeitliche Verläufe aller Spannungen zu berücksichtigen wären. Da der Dämpfungswiderstand RD im Bereich einiger hundert Milliohm ausgeführt wird, ist diese Vereinfachung zulässig. Signifikante Spannungsabfälle sind hier nicht zu erwarten.
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Im ersten Schritt wird als Hilfsgröße die Spannung u am Verknüpfungspunkt VK berechnet. Dazu werden die Spannungen uL1, uL2, uL3, uzk–, uZK+ an den X-Kondensatoren CX und an den Symmetrierkondensatoren CSym benötigt.
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Da die Summe aller Ströme im oberen Knotenpunkt Null ist, lässt sich mithilfe der allgemeinen Differentialgleichung eines Kondensators die folgende Gleichung aufstellen:
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Nach unbestimmter Integration lassen sich die Terme sortieren und u daraus berechnen.
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Aus der oberen Gleichung lässt sich nun die ideelle Symmetrierspannung uSym_ideell direkt bestimmen.
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Da bei der Berechnung der Zwischenkreispotentiale uZK+ und uZK– bereits ein symmetrisches Netz (uL1 + uL2 + uL3 = 0) vorausgesetzt worden ist, kann diese Randbedingung auch hier angewendet werden. Damit kann die Gleichung wie folgt vereinfacht werden.
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Diese Gleichung ist im Mikrocontroller MC implementiert. Die Differenz der Spannungen uSym und uSym_ideell kann nun als Vorsteuergröße für die Stromregelung verwendet werden.
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Die 11 zeigt abstrakt den Eingriff der Differenz von uSym und uSym_ideell auf die Stellgröße des Stromreglers. Die Regelgrößen iist, isoll, stehen hier für die Ist- und Sollwerte der Ausgangsströme iL1, iL2, iL3 des Wechselrichters WR. Durch das Schwingen der Zwischenkreispotentiale uZK+, uZK– um die ideellen Werte werden diese verzerrt. Aus der Differenz der gemessenen Spannung uSym und der berechneten Spannung uSym_ideell gewinnt der Mikrocontroller MC eine Hilfsgröße, die in die Regelung der Ausgangsströme iL1, iL2, iL3 einfließt. Damit lassen sich die Verzerrungen nahezu vollständig kompensieren bzw. deutlich verkleinern. Über den frei wählbaren Faktor K lässt sich der Einfluss der Vorsteuerung gemäß den Anforderungen des Regelkreises frei bestimmen.
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Bezugszeichen
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- B1, B2, B3
- Brückenzweige
- BZ
- Bezugspotential
- CPE
- Ableitkapazität
- CSym
- Symmetrierkondensatoren
- CX
- Kondensatoren (X-Kondensatoren)
- CY
- Ableitkondensatoren
- CZK
- Zwischenkreiskondensator
- DC
- Gleichspannungsquelle
- LD
- Glättungsinduktivitäten
- LZK
- Filterdrosseln
- MC
- Mikrocontroller
- N
- Neutralleiter
- NF
- Netzfilter
- P1, P2, P3
- Phasenleiter
- PE
- Schutzleiter
- RD
- Dämpfungswiderstand
- SG
- Solargenerator
- SN
- Symmetriernetzwerk
- VK
- Verknüpfungspunkt
- WN
- Wechselspannungsnetz
- WR
- Wechselrichter
- u
- Spannung am Verknüpfungspunkt VK (Hilfsgröße)
- uL1, uL2, uL3
- Spannung der Phasenleiter P1, P2, P3 gegen den Neutralleiter (Netzspannungen)
- USym
- Symmetrierspannung
- USym_ideell
- ideelle Symmetrierspannung (berechnet)
- uZK
- Zwischenkreisspannung
- uZK+, uZK–
- Zwischenkreispotentiale
- iC
- Ableitströme
- iist, isoll
- Regelgrößen
- iL1, iL2, iL3
- Ausgangsströme
- iSym
- Umladestrom (Symmetriestrom)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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