DE102014203553A1 - Elektrisches Antriebssystem - Google Patents

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Martin Braun
Stefan Butzmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, n > 1, welche mindestens zwei mehrphasige Wicklungsstränge aufweist, einem ersten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines ersten der mehrphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, einem zweiten, parallel zu dem ersten Wechselrichter geschalteten zweiten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines zweiten der mehrphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, und einer Gleichspannungsquelle, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweist und die mit einem ersten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und mit einem zweiten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters verbunden ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und ein zweiter Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters untereinander verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter in Reihenschaltung angeordnet sind, und wobei der zweite Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und der zweite Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters mit einem Mittelabgriff der Gleichspannungsquelle zwischen zwei Untergruppen der in Reihe geschalteten Batteriemodule verbunden sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Antriebssystem, insbesondere für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug wie ein Elektroauto oder ein Hybridfahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Wie in 1 beispielhaft dargestellt, erfolgt in einem elektrischen Antriebssystem 100 die Einspeisung von mehrphasigem Strom in eine elektrische Maschine 101 üblicherweise durch einen Wechselrichter 102 in Form eines Pulswechselrichters. Dazu kann eine von einem Gleichspannungszwischenkreis 103 bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige Wechselspannung, beispielsweise eine dreiphasige Wechselspannung umgerichtet werden. Der Gleichspannungszwischenkreis 103 wird dabei von einem Strang 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 oder beliebigen Gleichspannungsquellen gespeist.
  • Um die für eine jeweilige Anwendung gegebenen Anforderungen an Leistung und Energie erfüllen zu können, werden häufig mehrere Batteriemodule oder Batteriezellen in einem Energiespeichersystem in Serie geschaltet. Wenn jedoch hohe Leistungen an der elektrischen Maschine benötigt werden, kann es notwendig werden, Maßnahmen in der Implementierung des elektrischen Antriebssystems 100 zu treffen, die den erhöhten Leistungsanforderungen gerecht werden.
  • Beispielsweise kann es möglich sein, mehrere Stränge 104 aus seriell verschalteten Batteriemodulen 105 parallel zu schalten. Dies kann jedoch zu unerwünschten Ausgleichsströmen zwischen den Strängen 104 führen.
  • Zusätzlich dazu kann es auch notwendig sein, die Stromtragfähigkeit der Komponenten des Wechselrichters 102 und der elektrischen Maschine 101 zu erhöhen. Alternativ könnte auch die Zwischenkreisspannung angehoben werden. In jedem Fall werden umfangreiche Anpassungsentwicklungen und Änderungen in der Implementierung des elektrischen Antriebssystems nötig, die wiederum zu erhöhtem Implementierungsaufwand und -kosten führen.
  • Die Druckschrift US 2007/0070667 A1 offenbart ein Antriebssystem für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug mit mehrfach parallel geschalteten Wechselrichtern, die einen mehrphasigen Motor mit Wechselspannung versorgen. Die Druckschrift DE 10 2011 085 731 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für einen sechsphasigen Motor mit zwei parallel geschalteten Wechselrichtern. Die Druckschrift DE 10 2008 008 978 A1 offenbart modulare Antriebsstromrichter. Die Druckschrift DE 10 2010 001 250 A1 offenbart ein elektrisches Antriebssystem für eine elektrische Maschine mit zwei Phasensystemen, die über getrennte Wechselrichter gespeist werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein elektrisches Antriebssystem, mit einer n-phasigen elektrischen Maschine, n > 1, welche mindestens zwei mehrphasige Wicklungsstränge aufweist, einem ersten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines ersten der mehrphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, einem zweiten, parallel zu dem ersten Wechselrichter geschalteten zweiten Wechselrichter, dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines zweiten der mehrphasigen Wicklungsstränge der elektrischen Maschine verbunden sind, und einer Gleichspannungsquelle, die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen aufweist und die mit einem ersten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und mit einem zweiten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters verbunden ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und ein zweiter Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters untereinander verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter und der zweite Wechselrichter in Reihenschaltung angeordnet sind, und wobei der zweite Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters und der zweite Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters mit einem Mittelabgriff der Gleichspannungsquelle zwischen zwei Untergruppen der in Reihe geschalteten Batteriemodule verbunden sind.
  • Vorteile der Erfindung
  • Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, elektrische Maschinen mithilfe von standardisierten Leistungsbaugruppen, wie etwa Wechselrichtern, beispielsweise in B6-Topologie, anzusteuern. Derartige Wechselrichter sind als standardisierte Modultypen verfügbar, die durch Skaleneffekte kostengünstig zu beschaffen und zu implementieren sind. Durch die Modularisierung der Leistungsbaugruppen wird die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems vorteilhafterweise erhöht, ohne dass die Ausführung der elektrischen Maschine oder der einzelnen Leistungsbaugruppen an sich aufwändiger oder kostenintensiver wird. Für alle Leistungsbaugruppen können zudem einfache mechanische Verbindungsmittel vorgesehen werden, durch die die Systemmodule zusammengeschaltet werden können. Außderdem kann eine zentrale Steuereinrichtung, beispielsweise auf einer zentralen Steuerplatine, für alle Leistungsbaugruppen gleichermaßen vorgesehen werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können der erste und der zweite Wechselrichter jeweils einen dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichter aufweisen, der drei symmetrische Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern in Serienschaltung umfasst.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems können die Schaltelemente jeweils Leistungshalbleiterschalter, vorzugsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter, aufweisen. Diese Schalter sind besonders belastbar und zuverlässig anzusteuern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin eine Steuereinrichtung aufweisen, welche dazu ausgelegt ist, die Leistungshalbleiterschalter des ersten Wechselrichters und des zweiten Wechselrichters anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung auf einer zentralen Steuerplatine für den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter angeordnet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystems kann das Antriebssystem weiterhin mindestens einen parallel zu dem ersten Wechselrichter geschalteten dritten Wechselrichter, dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des ersten Wechselrichters gekoppelt sind, und mindestens einen parallel zu dem zweiten Wechselrichter geschalteten vierten Wechselrichter aufweisen, dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters gekoppelt sind. Dabei kann das Antriebssystem gemäß einer weiteren Ausführungsform weiterhin einen dritten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des dritten Wechselrichters gekoppelt ist, und einen vierten Gleichspannungszwischenkreis, welcher zwischen die Eingangsanschlüsse des vierten Wechselrichters gekoppelt ist, umfassen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften konventionellen elektrischen Antriebssystems;
  • 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 3 eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleich wirkende Komponenten. Die in den Figuren gezeigten schematischen Darstellungen sind nur beispielhafter Natur, die aus Gründen der Übersichtlichkeit idealisiert abgebildet sind. Es versteht sich, dass die dargestellten Komponenten lediglich zur Veranschaulichung von Prinzipien und funktionellen Aspekten der vorliegenden Erfindung dienen.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen Antriebssystems 30 mit einer sechsphasigen elektrischen Maschine 6, welche beispielsweise eine geschaltete Reluktanzmaschine oder eine Drehfeldmaschine sein kann. Die elektrische Maschine 6 weist beispielhaft zwei dreiphasige Wicklungsstränge 6a und 6b auf, die in ihrem Sternpunkt miteinander gekoppelt sein können. Das elektrische Antriebssystem 30 weist zudem ein Wechselrichtersystem aus mindestens einem ersten Wechselrichter 3a und und einem zweiten Wechselrichter 3b auf. Dabei speist der erste Wechselrichter 3a an seinen Ausgangsanschlüssen den ersten dreiphasigen Wicklungsstrang 6a der elektrischen Maschine 6. Der zweite Wechselrichter 3b speist an seinen Ausgangsanschlüssen den zweiten dreiphasigen Wicklungsstrang 6b der elektrischen Maschine 6.
  • Die Wechselrichter 3a und 3b weisen dabei jeweils eine B6-Vollbrückentopologie auf, das heißt, jeder der Wechselrichter weist einen dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichter auf, der drei symmetrische Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern H1 und H2, H3 und H4 bzw. H5 und H6 in Serienschaltung umfasst. Die Leistungshalbleiterschalter können beispielsweise MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter sein. Es ist dabei jedoch auch möglich, jede andere Art von Schaltelementen als Schalter H1 bis H6 zu verwenden und dabei parallel zu jedem Schaltelement H1 bis H6 eine Freilaufdiode zu schalten. An einem Mittelabgriff einer ersten Halbbrücke der Wechselrichter 3a bzw. 3b ist eine erste der Phasen der dreiphasigen Wicklungsstränge 6a bzw. 6b gekoppelt, an einem Mittelabgriff einer zweiten Halbbrücke der Wechselrichter 3a bzw. 3b eine zweite der Phasen der dreiphasigen Wicklungsstränge 6a bzw. 6b, und an einem Mittelabgriff einer dritten Halbbrücke der Wechselrichter 3a bzw. 3b eine dritte der Phasen der dreiphasigen Wicklungsstränge 6a bzw. 6b.
  • Der erste Wechselrichter 3a und der zweite Wechselrichter 3b können dabei entweder als separate Wechselrichtereinheiten oder auch in einem gemeinsamen Wechselrichtermodul implementiert sein. In letzterem Fall kann ein einziges Wechselrichtermodul mit sechs symmetrischen Halbbrücken vorgesehen werden, dass in entsprechender Weise mit der elektrischen Maschine 6 gekoppelt wird. Für die Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6 kann eine (nicht explizit dargestellte) Steuereinrichtung eingesetzt werden, welche beispielsweise auf einer gemeinsamen Steuerplatine implementiert werden kann.
  • Die Wechselrichter 3a und 3b können beispielsweise jeweils aus einem Gleichspannungszwischenkreis 2a bzw. 2b gespeist werden. In dem elektrischen Antriebssystem 30 ist eine gemeinsame Gleichspannungsquelle 1, beispielsweise eine Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs zur Versorgung beider Gleichspannungszwischenkreise 2a und 2b mit elektrischer Gleichspannung vorgesehen. Die Gleichspannungsquelle 1 kann dazu beispielsweise eine Serienschaltung aus Batteriemodulen 5 aufweisen, deren Anzahl in 2 nur beispielhaft mit 3 dargestellt ist – jede andere Anzahl an Batteriemodulen 5 kann ebenso möglich sein. Weiterhin ist klar, dass auch die Anzahl der Phasen der Wechselrichter 3a und 3b von der in 2 dargestellten beispielhaften Anzahl von drei abweichen kann, je nach erforderlicher Anzahl der Phasen der Wicklungsstränge 6a und 6b der elektrischen Maschine 6, deren Phasenanzahl jede beliebige Zahl annehmen kann. Ebenso ist es möglich, mehr als zwei Wechselrichter 3a und 3b parallel zu schalten, insbesondere wenn die elektrische Maschine 6 mehr als zwei mehrphasige Wicklungsstränge 6a und 6b aufweist. Dazu kann jeder der Wechselrichter einem der mehrphasigen Wicklungsstränge zugeordnet und mit selbigem elektrisch verbunden werden.
  • Die Gleichspannungsquelle 1 ist dabei mit jeweils einem ihrer zwei Ausgangsanschlüsse mit jeweils einem Eingangsanschluss der beiden Wechselrichter 3a und 3b verbunden. Die jeweils anderen Eingangsanschlüsse der beiden Wechselrichter 3a und 3b sind mit einem Mittelabgriff M der Gleichspannungsquelle 1 verbunden. Der Mittelabgriff M ist dabei zwischen jeweils zwei Untergruppen von Batteriemodulen 5 der Gleichspannungsquelle 1 in der Serienschaltung der Batteriemodule 5 angekoppelt, um für die Eingangsanschlüsse der beiden Wechselrichter 3a und 3b ein festes Referenzpotential bereitzustellen. Bei mehr als zwei Wechselrichtern 3a und 3b können auch mehrere Mittelabgriffe M implementiert werden, die jeweils derart ausgeführt sind, dass die gesamte Ausgangsspannung aller Batteriemodule 5 durch die Anzahl der in Reihe geschalteten Wechselrichter aufgeteilt wird. Dadurch kann eine Symmetrierung der jeweiligen Referenzpotentiale für die Eingangsanschlüsse der Wechselrichter erreicht werden.
  • Jeder Wechselrichter 3a, 3b kann dabei auch aus einer separaten Gleichspannungsquelle 1 gespeist werden. Beispielsweise kann eine Speisung einer sechsphasigen elektrischen Maschine 6 wie in 2 dargestellt, auch durch zwei getrennte Gleichspannungsquellen 1 erfolgen. Vorteilhafterweise können in dieser Variante benachbarte Wechselrichter 3a, 3b jeweils alternierend von beiden Gleichspannungsquellen 1 gespeist werden.
  • Durch die Verschaltung von prinzipiell gleichartigen Wechselrichtern 3a und 3b in Reihe kann die Leistungsfähigkeit des elektrischen Antriebssystems 30 bei einer Beibehaltung des gewünschten Ausgangsspannungslevels erheblich gesteigert werden. Die mittlere Spannungsebene zwischen den beiden Wechselrichtern 3a und 3b kann dabei in geeigneter Weise über die Wahl des Mittelabgriffs M symmetriert werden. Dadurch muss die Stromtragfähigkeit der Leistungshalbleiterschalter H1 bis H6 der Wechselrichter 3a und 3b gegenüber herkömmlichen Leistungshalbleiterschaltern H1 bis H6 nicht erhöht werden. Zudem kann durch die Modularisierung ein redundantes System geschaffen werden, in dem im Fehlerfall eines einzelnen Wechselrichters 3a bzw. 3b eine Notbetriebsfunktion mit eingeschränkter Leistungsfähigkeit eingerichtet werden kann. Dazu kann der defekte oder fehlerhafte Teil des Wechselrichtersystems deaktiviert und durch geeignete Umgehungsschalter in der Reihenschaltung der Wechselrichter überbrückt bzw. umgangen werden, und die elektrische Maschine 6 wird zumindest temporär durch die übrigen Wechselrichterteile mit reduzierter Leistung versorgt.
  • 3 zeigt eine Weiterbildung des elektrischen Antriebssystems 30 der 2. In 3 können zwei oder mehr Wechselrichter 3a und 3c bzw. 3b und 3d in jedem der in Reihe geschalteten Wechselrichterteilsysteme des Wechselrichtersystems parallel geschaltet werden. Dadurch können mehrere Wechselrichter 3a und 3c bzw. 3b und 3d pro Spannungsebene implementiert werden, die beispielsweise versetzt getaktet werden können, um Spannungs- und/oder Stromschwankungen („ripple“) in den Phasenspannungen bzw. den Phasenströmen, die in die elektrische Maschine 6 eingespeist werden, zu verringern. Weiterhin speist jeder der Wechselrichter 3a, 3b, 3c und 3d einen dreiphasigen Wicklungsstrang 6a, 6b, 6c, 6d der elektrischen Maschine. Im Beispiel der 3 ist die elektrische Maschine 6 daher eine zwölfphasige Maschine.
  • Die Anzahl der Spannungsebenen sowie die Anzahl der Wechselrichter 3a und 3c bzw. 3b und 3d pro Spannungsebene sind in 3 nur beispielhaft mit jeweils zwei dargestellt – es ist ohne weiteres möglich, mehr als zwei Spannungsebenen bzw. mehr als zwei Wechselrichter pro Spannungsebene zu implementieren. Dazu kann bei mehr als zwei Spannungsebenen gegebenenfalls ein zusätzlicher Mittelabgriff M an der Gleichspannungsquelle 1 zwischen zwei weiteren Untergruppen der Batteriemodule 5 genutzt werden, um die Spannungszwischenebenen zwischen den jeweils in Reihe liegenden Eingangsanschlüssen der einzelnen Wechselrichtergruppen pro Spannungsebene zu symmetrieren.
  • Die einzelnen Wechselrichter 3a und 3c bzw. 3b und 3d müssen nur auf einen Bruchteil der gesamten Gleichspannung der Gleichspannungsquelle 1 ausgelegt werden, je nach Anzahl der verwendeten Spannungszwischenebenen. Dadurch können auch Standardleistungsbaugruppen für hohe Ausgangsspannungen der Gleichspannungsquelle 1 genutzt werden.
  • In dem gezeigten Antriebssystem 30 der 2 bis 3 kann die elektrische Maschine 6 beispielsweise eine Synchron- oder Asynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine oder ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC, „brushless DC motor“) sein. Es kann dabei auch möglich sein, das elektrische Antriebssystem 30 der 2 bis 3 in stationären Systemen einzusetzen, beispielsweise in Kraftwerken, in elektrischen Energiegewinnungsanlagen wie zum Beispiel Windkraftanlagen, Photovoltaikanlagen oder Kraftwärmekopplungsanlagen, in Energiespeicheranlagen wie zum Beispiel Druckluftspeicherkraftwerken, Batteriespeicherkraftwerken, Schwungradspeichern, Pumpspeichern oder ähnlichen Systemen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des elektrischen Antriebssystems 30 der 2 bis 3 sind Personen- oder Gütertransportfahrzeuge, welche zur Fortbewegung auf oder unter dem Wasser ausgelegt sind, beispielsweise Schiffe, Motorboote oder dergleichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (5)

  1. Elektrisches Antriebssystem (30), mit: einer n-phasigen elektrischen Maschine (6), n > 1, welche mindestens zwei mehrphasige Wicklungsstränge (6a, 6b) aufweist; einem ersten Wechselrichter (3a), dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines ersten der mehrphasigen Wicklungsstränge (6a, 6b) der elektrischen Maschine (6) verbunden sind; einem zweiten Wechselrichter (3b), dessen Ausgangsanschlüsse mit den Phasenanschlüssen eines zweiten der mehrphasigen Wicklungsstränge (6a, 6b) der elektrischen Maschine (6) verbunden sind; und einer Gleichspannungsquelle (1), die eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Batteriemodulen (5) aufweist und die mit einem ersten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters (3a) und mit einem zweiten Ausgangsanschluss mit einem ersten Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters (3b) verbunden ist, wobei ein zweiter Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters (3a) und ein zweiter Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters (3b) untereinander verbunden sind, so dass der erste Wechselrichter (3a) und der zweite Wechselrichter (3b) in Reihenschaltung angeordnet sind, und wobei der zweite Eingangsanschluss des ersten Wechselrichters (3a) und der zweite Eingangsanschluss des zweiten Wechselrichters (3b) mit einem Mittelabgriff (M) der Gleichspannungsquelle (1) zwischen zwei Untergruppen der in Reihe geschalteten Batteriemodule (5) verbunden sind.
  2. Elektrisches Antriebssystem (30) nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Wechselrichter (3a, 3b) jeweils einen dreiphasigen selbstgeführten Wechselrichter aufweisen, der drei symmetrische Halbbrücken aus jeweils zwei Leistungshalbleiterschaltern (H1, H2; H3, H4; H5, H6) in Serienschaltung umfasst.
  3. Elektrisches Antriebssystem (30) nach Anspruch 2, wobei die Leistungshalbleiterschalter (H1, H2; H3, H4; H5, H6) MOSFET-Schalter oder IGBT-Schalter aufweisen.
  4. Elektrisches Antriebssystem (30) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, weiterhin mit: einer Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die Leistungshalbleiterschalter (H1, H2; H3, H4; H5, H6) des ersten Wechselrichters (3a) und des zweiten Wechselrichters (3b) anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung auf einer zentralen Steuerplatine für den ersten Wechselrichter (3a) und den zweiten Wechselrichter (3b) angeordnet ist.
  5. Elektrisches Antriebssystem (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin mit: mindestens einem parallel zu dem ersten Wechselrichter (3a) geschalteten Wechselrichter (3c), dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des ersten Wechselrichters (3a) gekoppelt sind; und mindestens einem parallel zu dem zweiten Wechselrichter (3b) geschalteten Wechselrichter (3d), dessen Eingangsanschlüsse jeweils mit Eingangsanschlüssen des zweiten Wechselrichters (3b) gekoppelt sind.
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