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Wechselrichteranordnung zur Speisung von asynchronen Kunzsohlussltpfermotoren
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Die Erfindung betrifft eine Wechoelriehteranordnung zur Speisung von agynehronen
Kurzschlunaläurermotoren ohne Nullleiter, mit unverederlicher Gleichspannung und
frequenz- und amplitudenveränderlicher Wechselspannung am Kötor.
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Solche Motoren werden für Antriebe mit veränderlicher Geschwindigkeit
und für Umkehrantriebe verwendet. Man muge hierzu die dem Motor zugeführteFrequenz
ändern. Zugleich mit dieser Frequenränderung ist es erforderlich, auch die Höhe
der Wechselapannung zu ändern, damit die güftstigste Gröbse den magnetischen Flusses
in der Maaohine bei jeder Frequenz erreicht wird. Mit abnehmender Frequenz muas
daher aucrh die Spannungehöhe verringert worden.
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Es sind nun eiem Verlahren, bekanntgewerden, um diew zu erreichei.
Mazi hat neben der FrequenAftderung zur Aenderung der Amplitude auch die dem Weehaelrleiiter
zuaetghrte Mleichspannung
veränderitei gemacht. Wenn also die Frequenz
abnimmt, so verkleinert man auch die zugeführ , te GMehapannung, Solehe Anordnungen
werden häufig durch Drehstromnetze gespeist, Die Gleichspannung erhält man dann
durch eine Gleichrichteranordnung. Sie wird dadurch geändert, daßa die. Gleiehrichterelemente
steuerbar sind. En Ist bekannt, dase bei geringer Aussteuerung Aieser Gleichrichter
auf der Drehstromseite ein grdsaer Blindstromverbrauch notwendig ist. Dies ist ein
Nachteil dieser beschriebenen Anordnung.
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Es sind nun ferner Schaltungen bekanntgeworden" bei denen die
Gleichspannung konstant gehalten wird und dafür die Amplitudenänderung durch verschieden
grosses- Zerteilen der Gleichspannung erhalten wird. Dies kann der Wechselrichter
selbst mit Hilfe seiner Aussteuerung bewerkstelligen, wenn er bei einer angelegten
Gleichspannung immer nur einen Teil davon in einem bestimmten Takte durchlässt.
Die Breite der b.
| positiv und negativ durchgelassenen Teile ist dann meesgeb"ig |
| fUr die Höhe der- Wechselspannung. Zugleich hiermit
w:Lrdsdtä"Pre- |
| quenz dadurch geändert, dann man auch während einer-,#PäeJ10de"sd |
| .den gewünschten Wechselstromes' die Breite der |
| stromimpulse ändert. 94 entsteht also eine zerßt8kges(agic-Kab |
| spannung, deren e-inzelne Teile vernchieden |
| -ents |
| Bre-itenänderung während einer Periode JLä#LIRN- |
| dtw -Frequenz. Als Mittelwert |
| ehe, Wechselspannung"_ obwohl die- nhgdßglü*:LIgZIplMli WALP>
mg |
| spannungaimpulso gleich |
einustörmigen impuinbreiten-Modulation. Die Modulationstrequenz
ist hierbei die gewünschte Frequenz am Motor. Diesen Verfahren ist als Unterschwingungsverfahren
bekanntgeworden. Bei diesem Verfahren antsteht keine Blindstromaufnahme aus dem
Wechselstremnetz, da die Gleichspannung unveränderlich von der Steuerung des Motors
bleibt. Die Oberwelligkeit bei dietem Verfahren Ist ebenfalls verhältnismässig aueh
bei kleinen Frequenzen gering. Das Verfahren hät aber den Naohtell, das es für höhere
Motortrequenzen, beispielsweise eittelfrequenzmotoren nicht tnwehdbar ist. Die 2orhackerfrequenz
iünttet dann nämtich so gross siein, daso die Lüokon zwischen den Impulnen für die
Kommititrung nicht mehr ausreichen.
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Ein anderes Vortabren besteht darin, aus der Gleichspannung Blöeke
gleicher Breite herauszuschnelden und diese Blöcke portodisch derart zusammenzusetzen,
dass eine WechselsparA2ung mit angenäherter Sinuskurve entsteht. Auch hä@rbei kanM
man durch die Breite der Blöcke den Mittelwert der Spannung ih geWünachtem Sinne
beeinfluseii. Dieses Verrahren kann zwar auch für höhere Frequenzen verwendet werden,
die Oberwelligkeit ist aber nur bei mittleren Frequenzen verhältnismässig gering,
dabei hohen Frequenzen die einzelnen Blöcke auteinandergesttzt warden, sodass eine
Rechteokkurve entsteht, und bei niederen Frequenzen die Blbcke einzffin mit Lücken
aufeinander rolgen, wobei eine höhere, OberweilIgkeit' ents tght.
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Diese Oberwellig keitbei dem letzten Vertahren meglichat gering zu
halten, Ist die Autgabe der Errindung. Es vird dahei vorgeschlagen, datä die Medhaelrichtiraeordnung
Am zwei Gruppen mit gleicher -Anzahl -Wechselrl-ehter in Brückensrhaltung besteht,
-die
Gruppen über je einen Transformator mit der Motorwicklung verbunden
sind, wobei die Sekundärwicklung des einen Transformators in Dreieck geschaltet
Ist und mit den Sekundärwicklungen des anderen Transformators In Reihe liegt, dass
mindestens eine magnetische Kopplungseinrichtung vorgesehen ist, welche die drei
eine Wechselrichtergruppe bildenden Phasen magnetisch über einen gemeinsamen magnetischen
Kern koppeln, und dass zwei Steuereinrichtungen vorgesehen sind, welche je die Brückenhälften
der einzelnen Wechselrichter unabhängig voneinander steuern.
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Ein Beispiel den Ertindungsgegenstandes ist in der Fig. 1 dargestellt.
Mit 1 Ist die Glieichstmsammelnehiene bezeichnet, welche eine konstante bpannung
liefert, die beispielnweine durch eine nicht gezelehiibte Gliiiebrichteranordnung
auz einem Drehatromnatt geltefert Wird. An diese Gleichstrom. samelschiene 1 sind
die Wfthselrichter 2 bia 7 angeschlossen. Die Wechselrichter beaitgen jede tür steih
Brückenschaltungen,
| bei denen jeweils Immer zwei Einzelet##bkehter in Reihe ge. |
| schaltet liegen und die StromfUhrung Ubet,)iehmen. Jeder
Wech- |
| selrichter benteht als'o" wie bii 2 :g 4 ei' |
| se, Wt, aus zwei Hälften |
| 21s 23 nowie 22 und 24, Die aüatierdem.
t& die Wechselrichter |
| A |
| erforderlichen Dioden In Antip4mIleIgehAltung zu den ge- |
| steuerten Elementen sind der Ueberisloliti ilchkeit halber
weg- |
gelassen. Die Wecheelrichter besitzen zwei diesen Hälften zugeordnete
Ausgänge, welche mit a und b vzeichnet eind. tid A»ngRnge a und
b der Wechnelrichter
sind an Transformatoren
9 und 10 geführt, wobei die Droeselspule
8 dem Transformator 9 vorgeschaltet ist. Die Drosseispule 8 kann auch dem Tranaformator
10 vorgeschaltet werden. Die Wirkungsweise der Wechselrichtung isthierbel folgendet
Wenn 21 beispielsweise lettend Ist, so besitzt a positivon Potential. Ist dagegen
23 leitend, so liegt an a negativet Potential; entsprechend verhalten sich 22 und
24. Wenn nun zugleich beispielaweise 21 und 24 leitend sind, so entsteht zwischen
den Leitungen a und b eine Spannung in Richtung a. b. Zu dieser Spannung U2 wird
die Spannung U8 in der Droszelspule 8 hinzugefügt. Diese Drosselspule 8 hat den
Zweck, die Oberwellen zu kompensieren, welche in den drei Phasen des Transformators
gleichphasig sind (beispielsweise die 3., Sq. usw. Oberwelle). Am Transformator
9 entsteht dann die Spannung U9P in der einen Richtung. In der anderen Richtung
legt der Stromrichter 23 die Leitung a an Minus und 22 die Leitung b an Plus. Der
Transformator 9 besitzt eine in Dreieck geschaltete Sekundärwiak1ung. Der Ausgang
dieses Transformators 9 ist mit den Sekund , Urwicklungen des Transtormators 10
in Reihe geschaltet, sodaes sich deren Spannungen addieren. Die resultierende Spannung
wird dem zu speisenden Motor 11 zugeführt. Durch die Dretecknachaltung wird die
am Transformator 9 gegenüber der am Transformator 10 entstehenden Spannung um 30°
verschoben.
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Die Wicklungen der Drosaelspule 8 besitzen einen gemeinsamen Eisenkerne
sodang sie miteinander magnetisch verkoppelt sind. Der Transformator g besitzt einen
Einenkern mit drei Sehenkeln, während der Trartetozmator 10 einen. Fünfschenkelkern
besitzt. jede Wicklung dieses Tran.stomator-e xann statt dessen
auch
einen für sich geschlossenen Einzelkern bezitzen. Die Uebernetzung des Transformators
9 Ist
die des Transtormators 10 1 : 1. Der Motor 11 Ist nicht geerdet.
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Bevor auf die Art der Steuerung eiftgegangen wird, sei die Wirkungeweige
dieaer Schaltung anhand der Fig. 2 erläuterti Dort worden für den Fa11, dass die
Frequenz und die Amplitude je gegenüber dem Höchstwert auf' die Hälfte vermindert
Ist, die' Spannungen gezeigt. Die Verminderung der Frequenz und der Amplitude wird
dadurch erreicht, daas die einzelnen Stromrichter zu verschiedenen Zeiten freigegeben
werden. Als Beispiel sind hier die Wechselrichter 4 und 7 gewählt, also die
Phase R am Motor. Die Phasenverschiebung zwischen den beiden Hälften des Wechselrichters
4, also der Spannungen U 4a und U4b, sei hierbei 120° (2o). Die Spannung U4 entsteht
nur dann, wenn In beiden Hältten zugleich die entsprechenden Stromrichter gebffnet
sind. Dies ist in Fig. 2b durch die Spannung U4 m U4a + U4b angedeutet. Die entsprechende
Spannung in den Phasen S und T, also U3 und U, sind in 3
den Diagrammen
2c und 2d dargestellt. Diese drei Spannungen U3' und U4 sind nun durch die Drosselspule
8 miteinander 3, 4 magnetisch gekoppelt. Dadurch entsteht an der Drosselspule
die Spannung U8, wie Fig. 2e zeigt. An der Primärwicklung des Transformators 9 enteteht
dann die Spannung U9P - U4 - U8 für die Phase R (Fig. 2j). Die Drosselspule 8 wirkt
nun so» dass nur die-gleichphaeigen Ströme In den Wicklungen eine Ma-gnetisterung.ihres
j(ernes hervorrufen und in Ihr nur der
Spainungsabfall dieseig gleichphasigen,
Komponenten entsteht, Die dreiphasige Grundwelle wird dagegen nicht beeinflusst,
weil sie keinen magnetischen Flugs erzeugen kann. Der gleichphaeige Spanmungsabfall-kompensiert
nun den entsprechenden Spargiungsanteil In den Spannungen U 2 , U 3 und U4, , zodasz
am Transformator 9 die Spannungen U 9p keine gleichphasige Komponente mehr enthalten.
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In ähnlicher Weise wird die Spannung am Transformator 10 gebildeit.
Sie entsteht aus der Wechselrichterschaltung 7.
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U7a und U7b sind wiederum ebenfalls um O = 120° gegeneinander In der
Phase verzchoben. Sie sind aber durch die Steuerung, wie noch gezeigt wird, gegenüberden
Spannungen des Wechselrichters 4 um weitere 30° verschoben, wie in Fig. 2f angedeutet
ist. Die Spannung U 7 entsteht nach Fig. 2g inentsprechender Weise, wie die Spannung
U4. Eine gegenseitige Kopplung der, Phasen wird hier nicht vorgenommen, da die Drosselspule
8 für die Wechselrichter 5 bis 7 nicht vorgesehen ist, sodass am Transformator 10
unmitteibat die Spannungen U 5 bi B U 7 als Spannungen U 5p bis U 7p liegen.
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Die Spannung des Motors entsteht nun auf folgende Weine: Die SekundKrspannung
U9, en Transformator 9 Ist um
Grösser als die Primärspannung (Ucbersetzung des Tranformators 9
). Dies zeigt Fig. 2k. Wegen der Dreiecksschaltung der Sekundärwicklur4, des Transformators
5 erscheint diese Spannung als verkettete Spannung. D le entsprec-hende
verkettete Spannung ein Transformator 10 int dann aus der Spannung seiner
Sekundärsette
U 7 - U 6 zu bilden, wie die Fig, 2t zeigt. Da beide Sekundärwicklungen hintereinandergesvha1tet
sind, entsteht am Motor die Spannung UV , als die Summe der beiden verkettetien
Spenhungen an den Transformatoren 9 und 10i also UV = U 9s + U7a - U-6s - (Fig.
2m).
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Man siehtg daso diese Spannung eine Treppenforn beaitzt, dieeiner
Sinuskurvi nahekommt. Sie enthält als tiefste Frequenz nur noch die 11. und 13.
Oberwelle.
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In der Fig. 3 sind nun die Motorspannungen für verschiedene Amplituden
und Frequenzen dargestellt. Man erkennt, dass die Oberwelligkelt selbst bei 1/8fmax.
und 1/8Amax. kleiner ist, alg bei det bekannten Aueführungeri, bei denen die einzelnen
Kurvenstücke gleteh hoch sind. Bei allen dr2i Eims tellungen Ist als tiefste Oberwelle
nur die 11. und l3 vorhanden.
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Die Steuerung muss nun so erfolgen, dass einmal die beiden Hälften
jeder Wechselrichterschaltungen 2 bis 7 gegenseitig verschoben werden können, dass
ferner die zur gleiehen Phase der Motorspannung gehörenden Wechselrichterschaltungen
gegeneinander um 30° verschoben sind, um die 30 ° Verschiebung am Transformator
für die Grundwelle aufzuheben. Die wichtigste AufZabe der Steuerung, ist die Steuerung
der Höh.e und der Pr equenz der Motorspannung. Die Frequenz wird hierbei durch eine
einstellbare Impulsfolgefrequenz In der Steuerung erreicht und die Amplltude durch
die gegenseitige Verschiebung der Phasen je beider Wechselrichterhälften. Man erkennt
dies
aus der Fige 4, Dort nind für die Grundwelle die Vektordiagramme
dargestellt. Die Phasenverschiebung von 30° zwischen den beiden Wechselrichtern,
beispielaweise 4 und 7, bleibt jeweils erhalten, ist also unabhängig von der Frequenz
und der Höhe ,der Wechselapannung. Sind die Sparaungen U4a und U4b sowie U7a und
U7b gegenseitig nicht verschoben (Z= 0 Fig. 4a), so ergibt sich der Höchstwert der
Spannung Uve Die beiden Vektoren U4, und U4b addieren sich arithmetisch zu U4. Verschiebt
man aber die Spannungen beider Wechselrichterhälften um den Winkel o gegenüber der
ursprthiEliohen Lage, so wird die Summe der Spannungen U4a und U4b Bowle U7, und
U 7b kleiner als die arithmetische Summe. Die Gesamthöhe ist also verkleinert und
damit auch die Höhe der Spannung im Motor. In der Fig. 4b ist der Verschiebungswinkelo
= 10°, in der Fig. 4o Km 60° (also 2#= 120°, was dem Diagramm In der Fig. 2 entspriöht).
Hier Ist die Höhe der Spannung und die Frequenz der Spanhung die Hälfte.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Steuerung Ist in der Fig. 1 bei der
Gesamtschaltung dargestellt. Es sind zwei Ribgapeioher 12 und 13 vorgesehen, die
die einzelnen Weohselrichter 2 bie 7 steuern. Der Ringspeicher 12 steuert dte eirr
Hälfte und der Ringspelcher 13 steuert die andere Hälfte unabhängig voneiiiaideir.
Jeder Rinspeieher besteht ie di5uaom Beispiel aus zwölf' Speichern (je mit 1 hin
12 bezeichnet), welche in einem Rin g zünammerigeacha1tet sind. Jedem RiMMpeicher
wiff eine InpMlafolge aus dem Impulegeber 14 zteeführt. DieGor w-Iie durch eine
Spannung 11, In dei-- W*ise. sagteUett, dass-
j»-
nach der
Höhe von Uf eine schnellere oder langsamere Impulzi folge entsteht. Hierdurch wird
die Frequenz am Motor geändert. Schaltungen dieser Art sind an sich bekannt und
daher im einmlnen nicht angegeben. Diese Impulse werden sämtlichen Speichern über
die Verteiler 16 und 17 an den Ringspeichern 12 und l3 gleichzeitig zugeführt. Die
beiden Ringspeicher besitzen aber gegeneinander eine Zeitverschiebung, welche durch
das Zeitglied 15 bewirkt wird. Die Impulse, die alsocbn tingspeleher 16 unverzögert
treffen, gelangen an den Ringspeicher 17 erst ngch einer steuerbaren Zeit t. Diese
Zeit kann mit Hilfe der zugeführten Spannung uA geändert werden, Die einzelnen Speicher
des Ringspeichers 12 steuern nun die eine Hälfte a der Weehgelrichter 2 bis 7, also
beim Wechselrichter 2 die Stromrichter 21 und 23, wobei 21 das positive Potential
und 23 das negative an a legt. In gleicher Weise legt 22 das, positive und 24 das
negative Potential an b. Zwischen a und b gptsteht dann eine Spannung, wenn 21 und
24 oder 22 und 23 freigegeben sind, abo a und
b an entgegengesetztes Potential
der Gleichspannung gelegt sind. Sind dagegen beispielsweise 21 und 22 geöffnet,
so liegt zwischen a und b keine Spannung,
| ea beide das positive Potential erhalten. 21 wird hierbei durch |
| gIG Agagangesignal ("l")und 2# d2reh./ |
| 7d4s fehle#ide Ausäangssignel "0") freigegeben.
Umgekehrt wird |
22 durch fehlendes Signal ak Plus, und 24 durch das Signal 'l" freigegeben. Die
Zeitverzögerung t verschiebt die-Phasen beider Hälften gegeneinander. Dadurch wird,
wie bereits seechildert wurde, die Höhe der ßpanriung beeinflusst- (si-ehie PiZr-
39.4l#
Jeder Ringspeicher arbeitet nun folgendermassen: Es sei
angenommen, daas sechs Spether so eingestellt sind, dass sie ein Ausgangseignal
abgeben ("l"), während die übrigen Speicher kein Ausgangssignal abgeben ("0"). Die
sechs auf "in gestellten Speicher liegen dabei nebeneinander. Bei beiden Ringspeichern
müssen, abgesehen von der Zeitverzögerung, die gleichen sechs Speicher auf "l" eingestellt
sein. Wenn nun die Steuerung arbeitet, so wird bei jedem empfangenen Impuls dem
nächsten Speicher der Zustand des vorhergehenden weitergegeben, also beispielsweise
der Zustand des Speichers 12.1, der mit 4a verbunden Ist, auf den neben Ihm liegenden
Speicher 12.2. Hat der Speicher 12.1 den Zustand "l", gibt also ein Signal ab und
der Speicher 12.2 auch,so bleibt der Zustand von 12.2 erhalten. Hat 12.2 aber den
Zustand "0", gibt also kein Signal ab, so bekommt er den Zustand "l".
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Jeder Ringspeicher ist nun in zwei Gruppen mit den entsprechenden
Wechselrichterhälften verbunden. In jeder Gruppe ist dabei zur Erzeugung von 120°
Phasenverschiebung für die Motorwechseläpannung jeder vierte Speicher besetzt, also
12.1 mit 4a, 12.5 mit der Leitung 3a und 12.9 mit 2a verbunden. Die zweite Gruppe
geht an die Wechselrichter 5 bis 7 und zwar 12.2 an 7a, 12.6 an 6a und 12.10 an
5a. In gleiche r Weise sind die Hälften 2b und 7b mit den entsprechenden
Speichern des Ringspeichern 13 verbunden. Man erkennt hierbei, dass
7 gegenüber 4 um 300 verschoben ist, da 7 mit dem Speicher
12.2 und 13.2
und 4 mit dem Speicher 12.1 und 13.1, also um einen Speicherschritt
verschoben
verbunden sind. Ein Speicherschritt bedeutet eine Phasenverse hiebung von 30 ° ,
wenn ein Umlauf in dem Ringspeicher genau einer Wechselspannungsperiode der Motorwechselapannung
entspricht. Die Frequenz der Impulse muas also 12 mal so hoch sein, wie die Frequenz
der Wechselepannung. Bei dem Beispiel sind Infolgedessen einige Speicher vorzusehen,
welche nicht für die Steuerung benutzt werden (12.3 und 12.4 usw.). Diese dienen
nur dazu, um die Impulse weiterzugeben und den richtigen Winkel zwischen den ,Phasen
zu erhalten.
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Für das Beispiel der Fig. 2 wäre die Einstellung so zu wäh-. len,
dase das Zeitglied 15 gerade eine Verzögerung um 120 ° bewirkt. Dann werden die
Steuerungen von entsprechenden Speichern der Ringspeicher 12 und 13 um X = 120 °
gegeneinander verschoben.
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Sind nun beispielsweise gerade die Speicher 12.1 und 12.8 bis 12.12
auf "l" die übrigen auf PC gestellt, so wärden dadurch die Leitungen a der Wechselrichter
2, 5 und 4 an positives Potential gelegt. Durch die Zeitverzögerung des-Zeitgledes
15, das auf 120 ° eingestellt sein soll, wären dann gleichzeitig die Speicher 13.4
bis 13.9 auf "l" gesetzt. Dann sind die Leitungen b der Stromrichter
3, 6 und 2 In der gleidhen Richtung freigegeben, also an negatives Potential
gelegt. In diesem Falle ergeben nun a und b von 2 (-wie in,Fig. 2) eineSpannun
g IU-2 , und nur diese, da zugleich a an Plus und b an Minus
liegen (Fig. 2d). Dte
gen Speicher stehen aut "0" sodass
durch den Ringeptfeher 12 die Le itungen a von 3, 6 untt 7 neaa ttv und durch den
Ringspeteher 13 erktsprechend b von k, 5 und 7 poettiv eind. In der erktgegengesetzten
Richtun g entsteht a alse nur am Weehiselricbter 7 eine. Spannung U7. (siehe Fig.
2g).
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BWim nächaten Impuls wird die EAiiaterllung der Rtizigspeieher
um eine Speieherstufi gedreht unc 12 .8 erhgit dgn Zustand "0" sowie 12.1 den Zustand
"l" die tibrrgen bleiben in ihrem bisherigen Zustand. 13,10 erhält jetz tfen Zustand
"l" und 15,4 den Zustand "0" Am Ausgang von 2 liigt rann weiter die Spannung U2,
während dazu nach am Wechselrichter 5 die Spiannung U5 5 entsteht. Für die andere
Richtung liegt jetzt keine Spannung mehr zwischen aund b von 7, da der Spether 12,2
auf "l" umge-
| von 7 |
| stellt worden ist und a. ebenfalls am Plus liegt.
Es hat sieh |
also der Zustant ven 30 bie 60° in FiE. 2 eingestellt. Die, übrigen Zustände sind
nach dieser Erklärung leieht abzuleitet und sollen daher nicht näher beschrieben
werden.
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Die Impulsfolgefrequenz des Impulsgebers 14 bestimmt die Motorfrequenz,
und zwar ist 'sie in jedem Falle zwölf mal so
grasä wie diese. Durch kekderung
der Impulafolgefrequenz kann alßo die Rotorfrequenz eingestellt werden.
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Der Vorteil der Anordnung e rgibt sich inabeeezdeM durch die bei allen
Einstellungen verringerte Oberwelligkeit wobei die niedrigsten Oberwellen die 11
umd 13. Oberwelle sind (siehe Fig. 3y. Man erhält also bet dieseaer Anordwung nur
durch eize geuchiekte Zuordnmg der Phaßenlagen in den TramtGratcren und Dreeselapulen
mit der StouerunK eine angenMert sinusförmige
Wechselapannung,
wobei die Gleichspannung konstantbleiben kann, aodaso also keine Blindleistung aue
dem Drebstromnetz entnommen z4 worden bmucht. Diese Anordnung kam auch für höhere
Motorfrequenzen verwendet.werden.