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Die Erfindung betrifft einen Umrichter
und ein Verfahren zum Betrieb.
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Umrichter, die
- – einen
Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung
aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
- – einen
Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen
ist, und
- – eine
Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor,
insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,
umfassen,
sind bekannt.
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Dabei werden als Zwischenkreiskondensatoren
meist Elektrolytkondensatoren verwendet, die zum Puffern der Energie
des Zwischenkreises und der Zwischenkreisspannung dienen. Nachteilig
ist dabei, dass beim derzeitigen Stand der Technik die Kapazität des Zwischenkreiskondensators
größer als funktional
notwendig ist. Funktional notwendig ist dabei insbesondere eine
ausreichende Glättung
bei Betrieb mit Nennlast. Die Kapazität kann also beim Stand der
Technik nicht nach funktionalen sondern muss nach bautechnischen
Anforderungen, wie Lebensdauer und Strombelastbarkeit gewählt werden. Somit
sind beim Stand der Technik Elektrolytkondensatoren gebräuchlich,
die ein großes
Bauvolumen beanspruchen, anfällig
und kostspielig sind. Derartige Umrichter werden oft auch als Umrichter
mit dickem Zwischenkreis bezeichnet.
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Ein wesentlicher Nachteil bei der
Verwendung solcher Umrichter mit dickem Zwischenkreis ist die hohe
Netzrückwirkung
und insbesondere auch die eingeschränkte Lebensdauer. Da die Lebensdauer
abhängig
ist von der Temperatur und der Leistungsentnahme, müssen je
nach Anwendung entsprechend groß dimensionierte
Kondensatoren gewählt
werden. Dies führt
dann zu einem größeren Wert
von Nennkapazität,
Bauvolumen, Netzrückwirkungen
und zu hohen Kosten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, einen Umrichter möglichst
kompakt, insbesondere also mit verringerter Netzrückwirkung
und höherer
Lebensdauer, auszuführen
und ihn in kostengünstiger
Herstellungsweise weiterzubilden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Umrichter
nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch
17 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
bei dem Umrichter sind, dass er
- – einen
Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung
aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
- – einen
Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen
ist,
- – eine
Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor,
insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,
umfasst,
wobei dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel
geschaltet ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten
Vorrichtung 3 und einem Hilfskondensator besteht,
wobei die
erste Vorrichtung derart gestaltet ist, dass sie - – einen
Widerstandswert aus einem ersten Widerstandswertebereich zum Minimieren
der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen
aufweist, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist
als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
- – einen
Widerstandswert aus einem zweiten Widerstandswertebereich, der hochohmiger
als der erste Widerstandswertebereich ist, aufweist, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ
wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht
und
einen Widerstandswert aus einem dritten Widerstandswertebereich,
der viel niederohmiger ist als der zweite Widerstandswertebereich,
annimmt, wenn die Differenz ΔU
unter den kritischen Wert fällt.
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Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter
mit schlankem Zwischenkreis ausführbar
ist. Dies bedeutet, dass der Zwischenkreiskondensator nur geringe
Kapazität
aufweisen muss und sogar als kostengünstiger und robuster Folienkondensator
vorsehbar ist. Außerdem
ist bei solchen Kondensatoren keine Polarität vorhanden, die Lebensdauer
hoch und das benötigte
Bauvolumen gering.
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Ein dicker Zwischenkreiskondensator
hat eine direkt am Netz liegende Kapazität, die größer ist als 5 μF pro Ampere
Zwischenkreis-Nennstrom, mindestens jedoch 8000 V μF pro Zwischenkreis-Nennspannung
Uz_Nenn in Volt, also mindestens
.
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Bei der Erfindung ist ein Hilfszwischenkreis vorhanden,
der beim Einschalten des Umrichters, also Verbinden mit dem Versorgungsnetz,
auftretende Überspannungen
reduzierbar macht. Denn, solange am Hilfskondensator des Hilfszwischenkreises keine
Spannung anliegt, der Hilfskondensator also entladen ist, kann der
Hilfskondensator Energie aufnehmen. Es fließt also beim Einschalten für kurze Zeit
Strom zum Hilfszwischenkreis, da die erste Vorrichtung niedrige
Widerstandswerte aufweist. Wird der Umrichter vom Versorgungsnetz
abgetrennt, sinkt die Zwischenkreisspannung ab, bleibt der Hilfskondensator
aber fürs
Erste aufgeladen. Sein selbsttätiges
Entladen würde
eigentlich sehr lange dauern, insbesondere im Minutenbereich. Eine
mit dem Hilfskondensator verbundene Verbraucherschaltung, wie ein
Schaltnetzteil oder dergleichen, ist nicht vorhanden. Mit der erfindungsgemäßen ersten
Vorrichtung jedoch ist ein Entladen dann ermöglicht, wenn die Zwischenkreisspannung
die Spannung am Hilfskondensator um mehr als einen kritischen Wert
unterschreitet, da dann die erste Vorrichtung von Widerstandswerfen
aus einem zweiten hochohmigen Widerstandswertebereich zu Widerstandswerten
aus einem dritten niedrigohmigen Widerstandswertebereich übergeht.
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Das Entladen des Hilfskondensators
ist dann vollständig
ermöglicht,
solange die Zwischenkreisspannung unter dem Wert der Spannung am
Hilfskondensator bleibt.
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Bleibt der Umrichter also abgeschaltet,
wird der Hilfskondensator vollständig
entladen. Wird der Umrichter jedoch während des Entladevorgangs wieder
mit dem Versorgungsnetz verbunden, wird der Entladevorgang des Hilfskondensators
gestoppt, sobald die Zwischenkreisspannung derart angestiegen ist,
dass sie die aktuelle Spannung am Hilfskondensator erreicht und überschreitet.
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Der beschriebene Entladevorgang des
Hilfskondensators hat bei einer vorteiligen Ausführung eine Zeitkonstante von
mehr als einem Zehntel einer Netzperiode und weniger als zweihundert
Millisekunden. Besonders vorteilhaft ist diese Zeitkonstante größer als
eine Netzperiode. Somit ist ein Wiedereinschalten nach Abschalten
eines Umrichters sehr schnell möglich,
insbesondere z.B. schon nach einer halben Sekunde, ohne dass Überspannungsspitzen die
Bauteile des Umrichters gefährden
könnten.
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Der Hilfskondensator versorgt kein
Schaltnetzteil und auch keinen entsprechenden Verbraucher.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
hat der Zwischenkreiskondensator eine direkt am Netz liegende Kapazität, die kleiner
ist als
oder
kleiner ist als 5 μF
pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, wobei U
Z_Nenn die
Zwischenkreis-Nennspannung des Umrichters in Volt ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
hat der Zwischenkreiskondensator keine polare Vorzugsrichtung, also
kein Elektrolytkondensator ist und also auch keine Polarität aufweist.
Der Zwischenkreiskondensator ist also vorteiligerweise als robuster
Folienkondensator ausführbar.
Hingegen ist der Hilfskondensator vorteiligerweise als Elektrolytkondensator ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
sind die Kapazitätswerte
und der erste Wertebereich vorzugsweise derart gewählt, dass
die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators bei
den zugehörigen
Spannungen zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden
liegt.
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Bevorzugt ist der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte
und der zweite Wertebereich derart gewählt, dass die Zeitkonstante
des Entladens für den
Hilfskondensators bei den zugehörigen
Spannungen größer als
eine Minute ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
weisen die Kapazitätswerte
und der dritte Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante
des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen
kleiner als eine Sekunde ist. Somit ist vorteiligerweise ein schnelles
Wiedereinschalten ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die erste Vorrichtung mindestens aus einer Reihenschaltung,
umfassend zumindest eine Diode D21 und einen Widerstand R21 in Zusammenwirkung
mit dem Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators am Zwischenkreiskondensator
C1, und einer zweiten Vorrichtung ausgeführt, die dieser Reihenschaltung
parallel geschaltet ist. Vorteilig ist dabei, dass Spannungsüberhöhungen minimierbar
sind.
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Alternativ besteht die erste Vorrichtung
mindestens aus einer Diode D21 und einer dazu parallel geschalteten
zweiten Vorrichtung, wobei der Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators
zur Minimierung der Spannungsüberhöhung am
Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen ist. Somit ist vorteiligerweise
der vorgenannte Widerstand R21 einsparbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
umfasst die zweite Vorrichtung einen Leistungsschalter und Steuermittel
zum Ansteuern des Leistungsschalters, wobei die Steuermittel aus
der Differenz ΔU
= (Uz – UzH)
versorgbar sind und abhängig
von dieser Differenz den Leistungsschalter beeinflussen, insbesondere
seine Steuerspannung erzeugen. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel
keine zusätzliche Spannungsversorgung
benötigen.
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Vorzugsweise besteht die zweite Vorrichtung aus
zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen, wobei in einer der
beiden Reihenschaltungen der Leistungsschalter angeordnet ist und
in der anderen der beiden Reihenschaltungen die Steuermittel vorgesehen
sind. Somit ist eine einfache und kostengünstige Schaltungsart ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
umfassen die Steuermittel eine spannungsabhängige Impedanz zur Beeinflussung
der Steuerspannung für den
Leistungsschalter. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel
kostengünstig
ausführbar
sind und wenige Bauteile notwendig sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
umfasst die spannungsabhängige
Impedanz zumindest einen Varistor und/oder eine Zenerdiode. Von
Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige Realisierung der Steuermittel
vorsehbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist der Leistungsschalter ein Thyristor und/oder die Steuermittel
bilden eine Zündvorrichtung.
Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Bauteil als Schalter verwendbar
ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
versorgt der Hilfszwischenkreis kein Schaltnetzteil oder einen entsprechenden
Verbraucher. Vorteiligerweise ist also die Versorgung des Steuerungsteils
mittels eines externen Netzteils vorsehbar. Der Umrichter ist also
aus einem solchen Netzteil versorgbar und es sind Kosten und Bauvolumen
einsparbar sowie weitere Vorteile erreichbar.
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Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bei
dem Verfahren sind, dass zum Betrieb des Umrichters, umfassend
- – einen
Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung
aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
- – einen
Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen
ist,
- – eine
Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor,
insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,
wobei
dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet
ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung
3 und einem Hilfskondensator besteht, - – zum Minimieren
der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen mittels
der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator beladen wird, solange
die Zwischenkreisspannung Uz größer ist
als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
- – mittels
der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator vom Zwischenkreis abgekoppelt
wird, wenn die Differenz ΔU
= (Uz – UzH)
negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert
erreicht und
- – mittels
der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator entladen wird, wenn
die Differenz ΔU
unter den kritischen Wert fällt.
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Die Vorteile entsprechen den vorgenannten. Insbesondere
ist somit ein schnelles Wiedereinschalten ermöglicht, insbesondere bei einem
schlanken Zwischenkreis.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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- 1
- Überspannungsschutz
- 2
- Gleichrichter
- 3
- Schaltungsteil
- 4
- Endstufe
- 5
- Steuerungsteil
- 6
- Versorgungsnetz
- 21
- Schaltungsteil
- C1
- Zwischenkreiskondensator
- C2
- Hilfskondensator
- R21,
R31, R33
- Widerstände
- R32
- Varistor
- D21
- Diode
- T31
- Thyristor
- M
- Motor
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Die Erfindung wird nun anhand von
Abbildungen näher
erläutert:
In
der 1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter
mit schlankem Zwischenkreis gezeigt.
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Dabei ist das Versorgungsnetz 6 mit
idealer Drehspannungs-Quelle gezeigt, der die Netzwiderstände und
Netzinduktivitäten
nachgeordnet sind. Der Umrichter weist einen netzseitigen Überspannungsschutz 1 auf.
Der Gleichrichter 2 ist als dreiphasiger Brückengleichrichter
ausgeführt
und erzeugt die Zwischenkreisspannung (Uz+, Uz–).
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Bei einer Netzspannung von ca. 500
Volt beträgt
die Spitzenspannung ungefähr
700 Volt. Die Zwischenkreisspannung liegt am Zwischenkreiskondensator
C1 an, der als Folienkondensator ausgeführt ist und im Vergleich zu
Umrichtern mit dickem Zwischenkreis eine geringere Kapazität aufweist.
Der Folienkondensator ist im Vergleich zu den Zwischenkreiskondensatoren
eines Umrichters mit dickem Zwischenkreis vorteiligerweise kostengünstiger,
benötigt
ein geringeres Bauvolumen und weist eine höhere Lebensdauer auf.
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Jedoch treten beim Einschalten des
Umrichters infolge der Zusammenwirkung der Netzinduktivitäten und
des Zwischenkreiskondensators kurzzeitig höhere Spannungen auf. Diese Überspannungen werden
bei dem erfindungsgemäßen Umrichter
aber vermindert, insbesondere mittels des Hilfskondensators und
dem mit diesem in Reihe angeordneten Schaltungsteil 3.
Somit sind alle Bauteile vor der Wirkung der Überspannungen geschützt Daher
sind alle weiteren Bauteile, wie insbesondere die Endstufe, derart
dimensionierbar, dass weniger Verluste auftreten und kostengünstigere
Ausführungsarten
wählbar sind.
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Insbesondere beim Auftreten von Netz-Überspannungspulsen
sind bei der Erfindung die bewirkten Stromspitzen kleiner als bei
Verwendung eines dicken Zwischenkreises gemäß Stand der Technik. Bei der
Erfindung, insbesondere also dem Umrichter mit schlankem Zwischenkreis,
ist auch der Gleichrichter für
geringeren Stoß-Strom
auslegbar und eine Zwischenkreisdrossel ist nicht nötig.
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Die Endstufe 4 umfasst Leistungsschalter zur
Bildung eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter vom Steuerungsteil 5 pulsweitenmoduliert angesteuert
wird. Der Wechselrichter ist im Wesentlichen aus drei Halbbrücken aufgebaut,
die jeweils mindestens einen unteren und einen oberen Leistungshalbleiterschalterumfassen.
Aus dieser Endstufe 4 ist der Drehstrommotor M versorgbar.
Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Umrichter bei Drehstrommotoren
verwendbar.
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Das Schaltungsteil 3 ist
in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
in der 2 näher dargestellt.
Der Widerstand R21 dient zur Begrenzung des Ladestroms für den Hilfskondensator
C2, wobei der Kapazitätswert
C2 derart gewählt
wird und der Widerstand R21 aus einem ersten Widerstandswertebereich
derart gewählt
wird, dass eine möglichst
kleine Spannungsüberhöhung beim
Einschalten auftritt. Dabei liegt die Zeitkonstante des Aufladens
für den
Hilfskondensators typisch zwischen einer halben Millisekunde und
drei Millisekunden. Die Diode D21 entkoppelt den als Elektrolytkondensator ausgeführten Hilfskondensator
C2 vom Netz während
des Betriebs unter Last. Beim Einschalten hingegen ist R21 und C2
wirksam.
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Das Schaltungsteil 21 ist
in der 3 für das erste
erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel
gezeigt. Sobald die Zwischenkreisspannung Uz des Umrichters sich
auf kleine Werte oder sogar Null Volt verringert, der Hilfskondensator
C2 aber noch geladen ist und die Spannung UzH aufweist, steigt die Spannung
am Varistor R32 an und erreicht unter Umständen derart hohe Werte, dass
der Widerstandswert des Varistors von hochohmigen zu niederohmigen
Werten übergeht.
Die hochohmigen Werte des Varistors liegen dabei in einem zweiten
Widerstandsbereich, insbesondere vorteiligerweise über ein
Megaohm. Die niederen Werte sind aus einem dritten Widerstandswertebereich,
der vorteiligerweise Werte zwischen 0 Ohm und 100 Kilo-Ohm umfasst.
Dadurch bekommt der Thyristor T31 eine genügend hohe Steuerspannung und
geht in den leitenden Zustand über.
Somit ist nun ein schnelles Entladen des Hilfskondensators C2 über den
Widerstand R31 ermöglicht,
der die Zeitkonstante des Entladevorgangs wesentlich mitbestimmt.
Der Widerstand R33 ist bei verschiedenen Ausführungsbeispielen verschieden dimensionierbar.
Er kann sogar weggelassen werden. Mittels der Dimensionierung der
Bauteile kann die für
das Zünden
des Thyristors benötigte
Spannung beeinflusst werden.
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Der Entladevorgang ist beendet, wenn
die Spannungsdifferenz zwischen der Zwischenkreisspannung Uz und
der Spannung UzH am Hilfskondensator Null erreicht.
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Der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte
und der zweite Wertebereich sind typischerweise derart, dass die
Zeitkonstante des Entladens für den
Hilfskondensators bei den zugehörigen
Spannungen, also Spannungswerten von Uz und UzH, die noch nicht
zum Zünden
des Thyristors führen,
größer als
eine Minute ist.
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Die Kapazitätswerte und der dritte Wertebereich
sind derart gewählt,
dass die Zeitkonstante des Entladens des Hilfskondensators bei den
zugehörigen
Spannungen deutlich kleiner als eine Sekunde ist.
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Vorteilig ist bei der Erfindung insbesondere auch,
dass der Zwischenkreiskondensator C1 funktional wählbar ist,
also seine Kapazität
entsprechend der elektrischen Strom- und Spannungsanforderungen
auswählbar
ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Lebensdauer diese Auswahl
nicht einschränkt,
da sie in jedem Fall genügend
groß ist.
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Weiter ist von Vorteil, dass die
Netzrückwirkung
und die Netzoberwellen gering sind. Weiter ist auch der auftretende
Einschaltstrom gering. Die Lebensdauer ist im Wesentlichen unabhängig von
der Belastung. Insbesondere ist die Lebensdauer typisch mindestens
zehnmal größer als
bei einem Umrichter mit dickem Zwischenkreis mit derselben Nennleistung
bei gegebener Nennleistung und Temperatur.
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Dem Fachmann ist klar, dass er die
beschriebenen Bauelemente und Schaltungsteile auch durch andere
Schaltungsteile und/oder Bauteile ersetzen kann, die in entsprechend ähnlicher
Weise wirken.
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Beispielsweise ist der Zwischenkreiskondensator
durch eine Reihenschaltung oder Parallelschaltung oder durch eine
komplexere Zusammenschaltungsart aus zwei oder mehreren Kondensatoren
ersetzbar.
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Entsprechendes gilt auch für jedes
passive Bauelement. Ebenso können
Leistungsschalter durch Reihen- oder Parallelschaltungen von mehreren
solchen Schaltern ersetzt werden.
