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Statische Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine statische Anordnung zur unterbrechungsfrelen
Stromversorgung mit Wechselstrom, auch für den Fall, daß das Wechselstromnetz zeitweise
unterbrochen ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Stromversorgungsanordnung,
bei der die Stromversorgung -auch dann aufrechterhalten wird, wenn das Wechselstromnetz
für mehrere Stunden unterbrochen ist. Die Stromversorgungsanordnung gemäß der Erfindung
benützt das Prinzip elnes statischen Umformers oder Wechselrichters.
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Es ist selt vlelen Jahren bekannt, reversible Umformer zur unterbrechungsfreien
Stromversorgung zu verwenden, d.h.
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Systeme, bei denen eine Umformeinrichtung zwei Funktionen erfüllt,
nämlich sowohl Gleichstrom In Wechselstrom umzuwandeln als auch Wechselstrom in
Gleichstrom umzuwandeln, um eine Batterie aufzuladen. Die hauptsächliche Schwlerigkeit
bei einem solchen Stromversorgungssystem Ist dessen Kompliziertheit, die dadurch
bedingt Ist, daß eine Mehrzahl von Umformern und Steuerelnhelten benötigt wird,
um dlese mehrfache Funktion zu erfüllen. Dles gilt Insbesondere für An-lagen geringerer
Leistung, beispielsweise unter 5 kW,
welche die Mehrzahl von unterbrechungsfreien
Stromversorgungsanordnungen ausmachen. Infolge der Kompi iziertheit ergibt sich
eine verminderte Zuverlässigkeit infolge der hohen Anzahl von Bauteilen und außerdem
ergeben sich erhöhte Kosten.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elnfache und billige Anordnung
zur unterbrechungsfrelen Stromversorgung zu schaffen, die unkompliziert aufgebaut
Ist und bei der weder eine vollständige Stromunterbrechung eintritt noch eine solche
für nur einige Perioden, wie bei den bekannten Vorrichtu.ngen.
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Bei der Anordnung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung gemäß der
Erfindung Ist das Wechselstromnetz an den Schwingkreis elnes Konstantspannungstransformators
angeschlossen, um eine geregelte Wechselspannung an der Sekundärwicklung dieses
Transformators zu erzeugen. Die Stromversorgungsanordnung gemäß der Erfindung enthält
weiter eine Steuerscha Itung, welche das Vorhandensein der Netzspannung feststellt
und bei genügender Netzspannung die Stromversorgung für eine wlederaufladbare Gleichstromquelle
steuert. Diese Glelchstromquelle ist angeschlossen an einen Wechselrichter, der
bei Abwe-senheit einer genügenden Netzspannung an seinem Ausgang einen Wechselstrom
erzeugt, der der Primärwicklung des Konstantspannungstransformators zugeführt wird,
so daß eine geregelte Wechsel spannung an der Skundärwicklung erhalten wird.
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Die gesamte Wirkungsweise der Anordnung gemäß der Erfindung Ist besser
als bei den bekannten komplizierteren Anordnungen, und zwar bezüglich des wichtigsten
Erfordernisses, nämlich einen vernünftigen Grad von dauernder Stromversorgung zu
erzielen. Wenn außerdem enge Toleranzen bezüglich der Frequenz
und
der Wellenform elngehalten werden müssen, so können zusätze ich Bauelemente hinzugefügt
werden, um diesen Forderungen zu genügen.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Figuren 1 und 2
beschrleben. Figur 1 zeigt die Schaltungsanordnung dieser Ausführungsform und Figur
2 zeigt eine Ausführungsform der Steuerung, die In Figur 1 lediglich als Blockschaltbild
dargestellt ist.
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Andere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren 3, 4 und
5 dargestellt.
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Figur 3 zeigt eine Schaltungsanordnung für eine andere Ausführungsform
der Erfindung.
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Figur 4 zeigt eine statlsche Schaltanordnung, welche anstelle der
Schaltanordnung verwendet werden kann, die In Figur 3 mit einer gestrichelten Linie
umrandet Ist.
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Figur 5 zeigt einen weiteren bevorzugten Steuerkreis, der sich zur
Verwendung bei der Schaltungsanordnung nach Figur 3 elgnet.
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Bei der Schaltungsanordnung nach Figur 1 kann die Batterle 1 eine
beliebige aufladebare Batterie sein, welche die Aufgabe hat, Gleichstrom zu liefern,
wenn das Netz 6 ausfällt. Die Wechselrichterschaltung 2 enthält einen Wechsel richter
mit Stromzwang (in der angelsächsischen Literatur mit parallel inverter bezeichnet),
der von einer Oszillatorschaltung betrieben wird und der In solcher Weise gesteuert
wird, daß er eine doppelte Funktion erfüllt, nämlich Gleichstrom in
Wechselstrom
umzuwandeln, um eine Erregung des Transformators Ti zu liefern, der wiederum die
Leistung an die Last liefert. Außerdem hat er die Aufgabe, die Wechselspannung gielchzurichten,
die an der Wechselstromseite des Wechseltrichters anliegt, wenn das Netz 6 Spannung
hat. Der gleichgerichtete Wechselstrom wird dazu benützt, die Batterie wleder aufzuladen.
Eine doppelte Steuerung wird erzielt durch einen Phasensteuerkreis 8, der mit dem
Oszillator des Wechseirichters verbunden ist.
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Der Transformator T1 Ist ein Konstantspannungstransformator, der In
bekannter Weise mit einem magnettschen Nebenschhluß versehen ist und der einen gesättigten
Resonanzschwierigkreis und eine Erregerwicklung enthält. Es ist jedoch eine gewisse
Abwandlung der Schaltkreiskonstanten erforderlich, um die Erregung durch den Wechselrichter
zu ermöglichen. Der Transformator hat eine mehrfache Funktion und er bildet eine
Verbindung in beiden Richtungen zwlschen der Batterie, dem Wechsel stromnetz und
der Last. Der Schwingkreis liefert eine etwa sinusförmige Ausgangsspannung und regelt
die Ausgangsspannung gegenüber der Batterie oder der Netzstromquel le bei Spannungsschwankungen
sowle-Anderungen der Last. Die große Streuung des Schwingkreises ergibt eine Begrenzung
gegen Uberlaststrom und einen welchen Anlauf für den Lastkrels und macht Überleistungen
des Wechseirichterkreises unmöglich.
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Die große Streuung wird dadurch erzielt, daß der Magnetkreis einen
Nebenschluß erhält, wenn der Wechselrichter den Schwingkreis erregt und wenn das
Netz den Schwingkreis erregt, dadurch daß der Strom mit der Drossel L2 begrenzt
wird.
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Das Relais RLA/2, welches die Kontakte RLA-1 und RLA-2 enthält, ist
spannungsempfindlich. Wenn die Netzspannung genügend groß Ist, sind die Kontakte
RLA-1 und RLA-2 geschlossen,
so daß sle das Netz über die Drossel
L2 an den Transformator Ti anschließen, so daß der Schwlngkrels erregt und Leistung
an die Last 7 abgegeben wird. Dabei kann Leistung abhängig von dem Verhältnis zwischen
der Wechselrichter- und Gleichrichterwirkung von dem Transformator an die Batterle
abgegeben werden. Durch das Schließen des Kontakts RLA-1 wird eine Spannung mit
der Wellenform der Netzstromversorgung an die Steuerschaltung 8 gegeben, um die
Phase zu synchronisieren. Wenn das Netz ausfällt, öffnen die Kontakte RLA-1 und
RLA-2 und der Wechselrichter beginnt frei zu schwingen und versorgt die Last mit
Leistung aus der Batterote.
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Wenn das Netz ausfällt, so versucht der Wechselrlchter jede Last,
die an das Netz angeschlossen ist, mit Strom zu versorgen. Die Drossel L2 begrenzt
diesen Strom, bis das spannungsempfindliche Relais RLA/2 abfällt, d.h. die Kontakte
RLA-1 und RLA-2 öffnen.
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Ein stromempfindliches Relais RLB/1, das den Kontakt RLB-1 enthält,
schließt den Kontakt RLB-1, wenn die Kontakte RLA-1 und RLA-2 geschlossen sind.
Ein welteres stromempfindliches Relais mit verzögerter Ansprechzelt RLC/l mit elnem
Umschaltkontakt RLC-1 (der erst schließt, dann öffnet) öffnet oder schließt den
Kontakt RLC-i für eine bestimmte Zelt nach dem öffnen oder Schlleßen des Kontaktes
RLB-1. Wenn das Netz ausfällt und der Netzstrom dabel unter einen bestimmten Minimaiwert
fällt, wird das Relais RLB/1 betätigt und öffnet den Kontakt RLB-1, der bewirkt,
daß die Relaisspule des Relais RLA/2 die Kontakte RLA-1 und RLA-2 öffnet.
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Die Steuereinheit enthält einen Wechselrlchteroszlllator mit einer
phasenempfindlichen Schaltung. Diese fühlt die Phase
des Wechselrichter
am Ausgang 7 und 8 ab und vergleicht diese mit der Phase des Wachselstromnetzes,
falls dleses anliegt, an den Anschlüssen 5 und 6. Die Phasendifferenz ist steuerbar
und ergibt eine Steuerung de-s Leistungsflusses des Wechselrichters entweder von
der Batterie oder zur Batterie.
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Wenn die Batterlespannung unter elnem bestimmten Pufferspannungsniveau
liegt und das Netz angeschlossen Ist, wird der Wechsel richter so betrieben, daß
er einen maximalen Ladungsstrom an die Batterie liefert. Wenn die Batteriespannung
gegen die Pufferspannung hin anstelgt, wird die Phase verzögert bis der Ladungsstrom
auf Erhaltungsladung fällt.
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Der in Figur 2 dargestellte Steuerkreis für die Ausgangssteuerung
hat fünf funktionelle Teilkreise,und zwar einen Unijunction-Transistor (UJT), einen
Schwingkreis (der die Ausgangsfrequenz bestimmt), einen bistabilen Pulsformerkreis
(der die Leistung zur Steuerung der Thyristoren liefert), einen Synchronisierungs-
und phasenempfindlichen Kreis, einen Phasenschieberkreis und einen Bezugs- und fehlerempfindlichen
Kreis.
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Durch den Unijunction-Transistor-Oszillator Q6 wird ein Puls erzeugt,
der die doppelte Frequenz hat wie die Ausgangsfrequenz.
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Der Puls wird über den Widerstand R25 dem Phasenschieberkreis zugeleitet,
der aus dem Unijunction-Transistor Q3 besteht und dem bistabilen Kreis mit den Transistoren
Q4 und Q5. Die Anderung der Phasenverschiebung wird erzeugt mittels der üblichen
Steuerung des UniJunction-Transistors Q3 mittels einer linear anstelgenden Spannung
und einer Sockelspannung, wobei die ansteigende Spannung von einer Widerstands-Kondensatorkombination
R15, R16, und C3 und die
Sockel spannung an einem Widerstand R19
erzeugt wird und dem Emitterkreis des Unljunction-Transistors über eine Dlode D6
und einen Widerstand R17 zugeführt wird. Der bistabile Kreis enthält die Transistoren
Q4 und 95 und Mittel, um den Unijunction-Transistor 93 zu synchronisieren. Wenn
der Unijunction-Transistor 93 gezündet wird, wird ein positiver Puls an dem Widerstand
R13 erzeugt, der der Basis des Transistors Q4 über den Widerstand R22 zugeführt
wird und bewirkt, daß der Transistor Q4 leitend wird und damit die Spannung an dem
Kondensator C3 auf eln niedriges Nlveau gebracht wird über den Widerstand R18 und
die Diode D7. Durch einen welteren Impuls von dem Unijunction-Transistor Q6 wird
der bistabile Krels wieder zurückgeschaltet, d.h. der Transistor 95 wird leitend
und der Transistor 94 nicht leltend.
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Die Sockel spannung ist der Hauptsteuerfaktor für die Größe der Ladung
des Kondensators C3 und steuert somit die Phasenverzögerung zwischen den Pulsen,
die durch den Unijunction-Transistor 93 und durch den Unijunction-Transistor 96
erzeugt werden.
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Der Oszillatorkreis des Unijunction-Transistors 96 wird mittels des
Phasendetektorkrelses, der die Dioden D10 bis D17 enthält, in Phase und Frequenz
mit dem Netz synchronislert. Spannungen proportional dem Wechselrichterausgang und
der Netzspannung werden bei den AnschlUssen 7 und 8 bzw.- 5' und 5' für diesen Zweck
elngespelst. Die resultlerende Gleichstromkomponente aus dem Phasendetektorkreis,
die an dem Kondensator C6 entsteht, ergänzt die Spannung, welche dem Emitter des
Unijunction-Transistors 96 zugeführt wird In solcher Weise, daß eine Synchronität
zwischen dem Netz und der Wechselrtchterspannung auftritt.
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Die verzögerten Impulse, die durch den UnlJunctTon-Transistor 96 erzeugt
werden, werden dem -bistabi len Kreis mit den Transistoren 91 und Q2 zugeführt.
An den Ausgan-gsanschlüssen 3/und 4/dieses bistabilen Kreises treten Pulse auf,
welche Rechteckwellenform haben, wobei die Welle am Anschluß 3/um 1800 in ihrer
Phase gegenüber der Welle an dem Anschluß 4' verschoben ist. Die Ausgangsanschlüsse
3' und 4/sind mit den Steuerelektroden der Thyristoren im Wechselrichterkreis verbunden.
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Die Sockel spannung wird von der Batteriespannung erzeugt, welche
an die Steuerschaltung Uber die Anschlüsse 1 und 2 angeschlossen Ist mittels des
Bezugs- und Fehlerkreises, der einen Spannungsteiler R12 und eine Zenerdiode D8
enthält. Wenn ein proportionaler Teil der Batteriespannung der Diode D8 zugeführt
wird, der groß genug ist, wird die Sockel spannung an dem Widerstand R19 erzeugt.
Wenn die Sokkelspannung anstelgt, vermindert sich die Zeltverzögerung dieses Kreises
und damit die Phasenverzögerung zwischen den Ausgangspulsen des Phasenschieberkreises
und den Pulsen vom Oszillatorkreis. Dadurch wird die Spannung, die in dem Wechsel
richter erzeugt wird, mehr In Phase mit der Netzspannung gebracht, wodurch der Leistungsfluß
vom Netz durch den Wechsel richter zur Batterie vermindert oder umgekehrt wird,
mit der Wirkung, daß die Batterlespannung auf einen festen Maximalwert stabilisiert
wird.
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Die beschriebene Schaltung kann jedoch in gewisser Welse abgewandelt
werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuwelchen. BeIspielsweise wurde gefunden,
daß anstelle der stromempfindlichen Relais RLB/1 und RLC/1 von Figur 1 eine Schaltungsanordnung
nach Figur 3 verwendet werden kann.
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Wenn bei der Schaltungsanordnung nach Figur 3 die Netzspannung anliegt
und eine genügende Größe hat (beispielsweise 70 % der normalen Spannung)-, wird
der Wechsel richter mittels eines Slgnals synchronisiert, das an die Anschlüsse
5,6 66 und 101der Steuereinrichtung 8 angelegt wird. Das Relais RLA/3 wird erregt
und schließt den Kontakt RLA-1, so daß vom Netz der Wechsel richter wle zuvor mit
Strom versorgt wird. Wenn das Netz ausfällt, so sinkt die Spannung an RLA/3 auf
einen niedrigen Wert (unter 50 % des Normalwertes) und das Relais fällt ab.
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Es wird eine kleine Störung erzeugt, die einer geringfügigen Unterbrechung
entspricht, wenn das Netz an- und abgeschaltet wird. Dlese Unterbrechung an der
Last beträgt etwa eine Perlode.
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Eine bevorzugte Art, bei der Ausführungsform nach Figur 3 das Netz
anzuschalten, Ist In Figur 4 dargestellt. Dlese besteht aus einem kontaktlosen Schalter,
der die Anordnung 5 von Figur 3 ersetzt und die Thyristoren SCR3 und SCR4 enthält,
sowie den Netzfühlerkrels und den Triggerkreis. Die Wirkungsweise dieses Schalters
Ist ähnlich wle die des Relais RLA/1, ausgenommen, daß der Schalter nur Leistung
vom Netz zum Wechsel richter und nicht In umgekehrter Rlchtung hindurch läßt.
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Wenn die Netzspannung vorhanden Ist, wird der Transformator T2 mit
Energie versorgt und ein Synchronisierungssignal wird über den Transformator T2
zum Steuerkreis geliefert, so daß der Wechsel richter synchronisiert wird. Der Thyrlstorschalter
ist gesperrt, da die Relaiskontakte RLB-1 und RLB-2 geschlossen sind und kein Steuersignal
zum Thyristor gelangen kann.
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Wenn die Netzspannung genügend groß ist und nach einer Verzögerungszelt,
welche durch den Kondensator C3 und den
Widerstand R6 bestimmt
Ist, wird das Relais RLB mit Glelchstrom gespeist und öffnet die Kontakte RLB-1
und RLB-2.
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Die Steuersignale von den Wicklungen auf T2 können nun die Thyristoren
SCR3 und SCR4 in den leitenden Zustand umschalten. Die Phasenlage der Steuersignale
Ist so gewählt, daß während der positiven Halbwelle, d.h. wenn der Mittelleiter
negativ Ist, der Thyrlstor SCR3 In den leitenden Zustand geschaltet ist und daher
eln Strom nur In den Wechseirlchterkrels fließen kann, wenn der Netzanschlußpunkt
positiver ist als die Spannung, die an der Wechselrlchterseite des Schalters anliegt
und während der negativen Haibweile kann der Thyristor SCR4 nur leiten. Wenn -das
Netz ausfällt, entweder wegen eines Kurzschlusses oder wegen einer Unterbrechung,
kann Infolge der Anordnung der Thyristoren SCR3 und SCR4 im Schalter kein Strom
in das Netz zurückgespeist werden. Der Transformator T2 wird nicht weiter mit Strom
versorgt, der Wechsel richter kehrt zu seinem freischwingenden Zustand zurück und
das Relais RLB wird stromlos. Der Abschaltvorgang des kontaktlosen Schalters tritt
augenblicklich beim Netzausfall ein, so daß eine minlmale Störung des Wechselrichters
eintritt, mit dem Ergebnis, daß im wesentl Ichen keine Unterbrechung der Stromversorgung
der Last eintritt. Der Grund für die Verzögerung bei der Wiedereinschaltung des
kontaktlosen Schalters besteht darln, daß eine bestimmte Zeit dazu nötig ist, um
den Wechsel richter wieder langsam zu synchronisieren, so daß die Spannungsdifferenz
an dem kontaktlosen Schalter kurz vor dessen Schii.ßen auf ein Minimum gebracht
wird, wodurch wlederum eine Störung der Lastspannung auf ein Minimum herabgedrückt
wird. Mlt diesen Schaltmitteln tritt keine vollständige Unterbrechung der Stromversorgung
der Last auf, obwohl ein kleiner Spannungseinbruch eintrltt.
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Bei dieser Abwandlung der Anordnung werden einige Anderungen der Steuerung
8 vorgenommen, die In Figur 5 dargestellt sind.
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Der Grundoszillator und die Synchronlslerungsmlttel sind im wesentlichen
die gleichen wle bei der Steuerschaltung nach Figur 2. Es wird zwar eine Anzahl
unterschiedlicher Steuer-und Oszillatorkreise verwendet, doch alle benützen einen
Unijunction-Transistor-Oszillator und alle haben zur Synchronislerung einen Phasendetektor.
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Der hauptsächliche Unterschied besteht In der Abfühlung der Gleichspannung
der Batterie und in der Steuerung der Phase zwischen dem Wechsel richter und dem
Netz.
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Die In der Schaltungsanordnung von Figur 5 benützten Schaltmittel
sind einerselts einfach und andererselts sehr wirksam und enthalten einen veränderlichen
Phasenschleberkrels, bestehend aus dem Kondensator C8 und dem veränderlichen Widerstand
R18 mit dem Transistor 94 und den zugehörigen Schaltmitteln. Dieser Phasenschleberkreis
liegt zwischen dem Nutzsignal (oder wenn gewünscht, dem Wechselrichterausgangssignal)
und dem Phasendetektor. Der veränderliche Widerstand R18 wird gesteuert mittels
elnes Fehlersignals, das durch den Spannungsvergleichs-Transistor 93 erzeugt wird.
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Die Batteriespannung liegt zwlschen dem Anschluß 1 und dem Anschluß
111 und ein proportionaler Tell davon wird mit der Spannung verglichen, die an der
Zenerdiode D5 anliegt. Wenn die Batterlespannung zu hoch Ist, wird der Transistor
93 leitend und ein Strom fließt durch den Indirekt geheizten Thermistor TH1, wodurch
dessen Widerstand vermindert wird, was wiederum bewirkt, daß der Transistor Q4 einen
stärkeren Strom führt, wodurch der-effektive Wert des Gesamtwlderstandes im Phasenschieberkreis
vermindert wird. Dadurch wird
eine entsprechende Phasenverschlebung
zwlschen dem Wechselrichter und dem Netz erzlelt, wodurch eine Verminderung des
Lelstungsflusses vom Netz zur Batterie erzielt wird, bis eine Glelchgewichtsbedlngung
erreicht Ist, bei der die Batterlespannung ein vorbestimmtes Niveau erreicht hat
und wenig oder kelne Leistung zwischen der Batterle und dem Netz fließt.
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Anlagen: 6 Patentansprüche 5 Bl. Zelchnungen 1 Bl. Verzeichnis der
verwendeten Bezeichnungen