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Die Erfindung betrifft einen Inverter zum Einspeisen von Energie aus einer Gleichspannungsquelle in ein Wechselstromnetz, mit einem Wandler zum Umwandeln der Spannung der Gleichspannungsquelle in einen pulsierenden, aus Halbwellen bestehenden und mit der Netzwechselspannung synchronen Gleichstrom, und einem Polwender zum Umwandeln des pulsierenden Gleichstroms in einen Wechselstrom.
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Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Invertern, die zur Ankopplung von Solaranlagen an das öffentliche Wechselstromnetz geeignet sind.
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Inverter, die für hohe Leistungen ausgelegt sind, weisen üblicherweise eine kostspielige Elektronik auf, die es erlaubt, die Gleichspannung in eine Folge von Hochfrequenzimpulsen zu zerhacken und daraus einen Wechselstrom mit jeder gewünschten Wellenform und Phase zu generieren.
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In der Photovoltaik ist es jedoch oft erwünscht, sogenannte Mikro-Inverter zu verwenden, die nur für verhältnismäßig geringe Leistungen ausgelegt sind und es erlauben, jedes einzelne Solarmodul direkt an das Netz anzukoppeln, so dass unterschiedlichen Abschattungs- und Lichteinstrahlungsverhältnissen für die einzelnen Module besser Rechnung getragen werden kann. Für eine gegebene Gesamtleistung wird in diesem Fall eine entsprechend große Anzahl von Invertern benötigt, die deshalb einen möglichst kostengünstigen Aufbau haben sollten. Dieses Erfordernis ist bei Invertern der eingangs genannten Art erfüllt, da die Leistungselektronik-Komponenten des Inverters, insbesondere der Polwender, nur mit niedrigen Frequenzen geschaltet zu werden brauchen, die etwa in der Größenordnung der Netzfrequenz liegen, so dass entsprechend kostengünstige und verlustarme elektronische Schalter verwendet werden können.
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Ein Nachteil dieser Mikro-Inverter besteht jedoch darin, dass die Phase der pulsierenden Gleichspannung und damit auch der Schalttakt des Polwenders durch die Netzwechselspannung fest vorgegeben ist, so dass auch der in das Netz eingespeiste Wechselstrom mit der Netzwechselspannung in Phase sein muss. Das bedeutet, dass sich das Netz für den Inverter im wesentlichen wie eine Ohm'sche Last verhalten muss und eine Übertragung von Blindleistung zwischen dem Inverter und dem Netz nicht möglich ist. Wenn die durch das Netz dargestellte Last wesentliche kapazitive oder induktive Komponenten enthält, so würde dies zu einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung führen, die der Polwender des Inverters nicht darstellen kann. Zunehmend strengere Netzeinspeisungsregeln verlangen jedoch häufig, dass die zur Einspeisung benutzen Inverter auch schon bei geringerer Gesamtleistung eine gewisse Blindleistungsfähigkeit aufweisen müssen.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Inverter der eingangs genannten Art mit erhöhter Blindleistungfähigkeit zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Energiespeicherschaltung und eine elektronische Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, getriggert durch Vorzeichenwechsel der Netzwechselspannung die Energiespeicherschaltung intervallweise an den Polwender anzukoppeln und Blindleistung aus dem Wechselstromnetz in der Energiespeicherschaltung zu puffern.
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Wenn die Netzwechselspannung und der durch den Inverterausgang fließende Netzwechselstrom nicht genau in Phase sind, erlaubt es die Erfindung, nach jedem Vorzeichenwechsel der Netzwechselspannung die Energiespeicherschaltung an den Polwender anzukoppeln, so dass Blindstrom aus dem Netz über den Polwender in die Energiespeicherschaltung fließen und dort zwischengespeichert werden kann. Zu einem etwas späteren Zeitpunkt innerhalb derselben Wechselspannungsperiode, in der Strom und Spannung wieder das gleiche Vorzeichen haben, kann dann die in der Energiespeicherschaltung zwischengespeicherte Energie über den Polwender wieder in das Netz zurückgegeben werden. Auf diese Weise ist eine Übertragung von Blindleistung zwischen dem Inverter und dem Netz möglich, so dass auch dann, wenn sich das Netz wie eine induktive oder kapazitive Last verhält, einerseits Verzerrungen der sinusförmigen Soll-Wellenformen der Spannung und des Stromes im Netz vermieden werden und andererseits auch Schäden an den elektronischen Komponenten des Inverters vermieden werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Inverters;
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2 ein Schaltbild einer ersten Stufe des Inverters;
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3 ein Schaltbild einer zweiten Stufe des Inverters;
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4 Spannungs- und Stromwellenformen für eine an den Inverter angeschlossene Ohm'sche Last;
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5 ein Schaltbild entsprechend 3, mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t5 in 4;
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6 ein Schaltbild mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t6 in 4;
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7 phasenverschobene Spannungs- und Stromwellenformen für einen herkömmlichen Inverter;
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8 modifizierte Stromwellenformen für den herkömmlichen Inverter;
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9 Spannungs- und Stromwellenformen für den erfindungsgemäßen Inverter auf einer gedehnten Zeitskala;
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10 ein Schaltbild mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t10 in 9; und
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11 ein Schaltbild mit Schalterstellungen zum Zeitpunkt t11 in 9.
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In dem in 1 dargestellten Blockdiagramm ist eine Gleichspannungsquelle 10 gezeigt, die eine Gleichspannung U0 liefert. Beispielsweise kann es sich bei der Gleichspannungsquelle 10 um ein einzelnes Solarmodul einer Photovoltaik-Anlage handeln.
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Ein elektronischer Wandler 12 dient dazu, aus der Gleichspannung U0 einen pulsierenden Gleichstrom I1 zu erzeugen, dessen Wellenform einer Folge von sinusförmigen Halbwellen entspricht. Im Stand der Technik sind verschiedene Formen von kostengünstigen und dennoch relativ verlustarmen Schaltungsanordnungen bekannt, die die Funktion eines solchen Wandlers 12 erfüllen können. Ein Beispiel ist in einem vereinfachten Schaltbild in 2 dargestellt und wird weiter unten kurz beschrieben werden.
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Mit einem Polwender 14 lässt sich der pulsierende Gleichstrom I1 so kommutieren, dass man einen sinusförmigen Wechselstrom I2 erhält. Der Wandler 12 und der Polwender 14 bilden zusammen einen Inverter, mit dem die Energie der Gleichspannungsquelle 10 als Wechselstrom In in ein angeschlossenes Wechselstromnetz 16 eingespeist werden kann.
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Zu dem Inverter gehört weiterhin eine elektronische Steuereinrichtung 18, die über einen angeschlossenen Spannungsdetektor die Netzwechselspannung Un misst und die anhand dieses Spannungssignals den Wandler 12 und den Polwender 14 so ansteuert, dass die Phase der vom Inverter erzeugten Wechselspannung U2 stets der Phase der Netzwechselspannung Un nachgeführt wird. Die Steuereinrichtung 18 kann beispielsweise durch einen oder mehrere Mikroprozessoren gebildet werden.
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In dem hier gezeigten Beispiel liefert der Inverter an seinem Ausgang eine Spannung, die die gleiche Frequenz und auch die gleiche Amplitude hat wie die Netzwechselspannung Un (z. B. 50 Hz/230 V). Es sind jedoch auch Anwendungen denkbar, bei denen eine Anzahl N von Invertern der hier gezeigten Art in Reihe geschaltet sind und die Amplitude der Spannung jedes Inverters nur ein 1/N der Netzamplitude beträgt.
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Erfindungsgemäß weist der Inverter zusätzlich eine Energiespeicherschaltung 20 auf, die an den Polwender 14 ankoppelbar ist und durch die Steuereinrichtung 18 so angesteuert wird, dass sie einen etwaigen Blindstrom aufnimmt, der aus dem Wechselstromnetz 16 in den Inverter zurückfließt. Die entsprechende Blindleistung wird in der Energiespeicherschaltung 20 gepuffert und dann, wiederum gesteuert durch die Steuereinrichtung 18, zu einem etwas späteren Zeitpunkt wieder in das Wechselstromnetz 16 zurückgegeben.
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Anhand der 2 soll zunächst der Aufbau und die Funktionsweise des Wandlers 12 näher erläutert werden.
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Ein elektronisch (beispielsweise von der Steuereinrichtung 18) gesteuerter Schalter S1, eine Spule L1, ein Kondensator C1 und eine Diode D1 bilden einen Abwärtswandler, der eine hochfrequente pulsierende Gleichspannung mit einer Frequenz beispielsweise in der Größenordnung von einigen kHz erzeugt. Die Spannung am Kondensator C1 kann dabei maximal den Wert U0 erreichen, und der Scheitelwert der pulsierenden Spannung ist von der Dauer der Einschaltimpulse des Schalters S1 abhängig, so dass durch Pulsweitenmodulation des Einschaltsignals für den Schalter S1 eine gewünschte Wellenform erzeugt werden kann, beispielsweise eine Wellenform, deren Hüllkurve die Form von Sinus-Halbwellen hat und die mit der Netzwechselspannung Un synchronisiert ist. Mit Hilfe einer getakteten Schaltstufe P1, die in bekannter Weise durch eine Brücke aus vier elektronischen Schaltern gebildet wird, wird die pulsierende Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt, die dann mit einem Transformator T1 auf ein höheres Spannungsniveau transformiert wird, nämlich auf das Niveau der Netzwechselspannung. Mit Hilfe einer Gleichrichterbrücke G1 wird die Spannung wieder gleichgerichtet, so dass man den aus Sinus-Halbwellen bestehenden pulsierenden Gleichstrom I1 mit der Frequenz, Amplitude und Phase des Netzwechselstroms erhält.
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Wahlweise kann der Wandler 12 auch ein Wandler mit Potentialtrennung sein, mit einem Trenntransformator als Transformator T1.
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Der Aufbau des Polwenders 14 und der Energiespeicherschaltung 20 ist in 3 dargestellt.
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Der Polwender 14 wird durch eine Brücke aus vier elektronischen Schaltern S2, S3, S4 und S5 gebildet, bei denen es sich beispielsweise um MOS-FETs oder IGBTs handeln kann, die durch die Steuereinrichtung 18 angesteuert werden. Am Eingang des Polwenders liegt die Spannung U1 an. Die Schalter S2 und S4 sind in Reihe zwischen den Eingang und Masse geschaltet. Die Schalter S3 und S5 sind parallel zu den Schaltern S2 und S4 in Reihe zwischen den Eingang und Masse geschaltet. Der (Wechselstrom-)Ausgang des Polwenders 14 wird durch die Mittelpunkte zwischen den Schaltern S2 und S4 einerseits und den Schaltern S3 und S5 andererseits gebildet, die jeweils über eine Spule L2 bzw. L3 mit einem Leiter des Wechselstromnetzes 16 verbunden sind.
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Ein Kondensator C2 ist parallel zu dem Polwender 14 zwischen U1 und Masse geschaltet. Der Kondensator C2 sowie die Spulen L2 und L3 dienen zur Glättung des in das Wechselstromnetz eingespeisten Wechselstroms.
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Die Energiespeicherschaltung 20 weist als hauptsächlichen Energiespeicher einen weiteren Kondensator C3 auf, dessen eine Elektrode auf Masse geschaltet ist und dessen andere Elektrode über einen Schalter S6, eine Spule L4 und eine Diode D2 mit dem Eingang des Polwenders 14 und folglich mit der Spannung U1 verbunden ist. Diese Elektrode des Kondensators C3 ist außerdem über einen unidirektionalen Schalter S8 (symbolisiert durch eine Reihenschaltung aus Diode und Schalter) mit entgegengesetzter Stromflussrichtung mit der Spannung U1 verbunden.
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Ein weiterer elektronischer Schalter S9, der ebenfalls durch die Steuereinrichtung 18 angesteuert wird, ist parallel zu der Diode D2 und dem Kondensator C3 geschaltet und bildet zusammen mit der Spule L4 und dem Kondensator C3 einen Aufwärtswandler, mit dem es möglich ist, den Kondensator C3 auf eine Spannung aufzuladen, die höher ist als die Spannung, die über den unidirektionalen Schalter S6 zugeführt wird.
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Die Schalter S2–S5 des Polwenders 14 sind so ausgebildet, dass sie im geöffneten Zustand den Stromfluss vom Eingang (Strom I1) zur Masse unterbrechen, jedoch einen Stromfluss in entgegengesetzter Richtung zulassen, wie in 3 jeweils durch eine Bypassdiode symbolisiert wird.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise des Inverters soll zunächst der Fall betrachtet werden, dass sich das Wechselstromnetz 16 für den Inverter im wesentlichen wie eine Ohm'sche Last verhält. Für diesen Fall sind in 4 der Verlauf der Netzwechselspannung Un und der Verlauf des im Wechselstromnetz und folglich auch durch den Ausgang des Polwenders 14 fließenden Stroms In als Funktion der Zeit t dargestellt. Die Spannung Un und der Strom In sind gleichphasig. Eine positive Halbwelle der Spannung und des Stromes beginnt zum Zeitpunkt t0 und endet zum Zeitpunkt t1, und eine negative Halbwelle beginnt zum Zeitpunkt t1 und endet zum Zeitpunkt t2.
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5 zeigt die Stellungen der Schalter S2–S5 für jeden beliebigen Zeitpunkt zwischen t0 und t1, beispielsweise zum Zeitpunkt t5. Die Schalter S2 und S5 sind geschlossen, während die Schalter S3 und S4 geöffnet sind. Folglich fließt der Strom vom Eingang des Polwenders über den Schalter S2 und die Spule L2 durch das Wechselstromnetz 16 und weiter über die Spule L3 und den Schalter S5 zur Masse. Zum Zeitpunkt t1 werden sämtliche Schalter des Polwenders nahezu simultan umgeschaltet, so dass während der negativen Halbwelle, beispielsweise zum Zeitpunkt t6, die Schalter S2 und S5 geöffnet und dafür die Schalter S3 und S4 geschlossen sind, wie in 6 gezeigt ist. In der Praxis liegt zwischen dem Öffnen der Schalter S2 und S5 und dem Schließen der Schalter S3 und S4 eine kleine Karenzzeit, damit ein Kurzschluss zuverlässig vermieden wird. Während der negativen Halbwelle fließt der Strom vom Eingang des Polwenders über den Schalter S3 und die Spule L3 durch das Wechselstromnetz und weiter über die Spule L2 und den Schalter S4 zur Masse.
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Wenn das Wechselstromnetz 16 für den Inverter keine Ohm'sche Last, sondern eine Last mit kapazitiven oder induktiven Komponenten darstellt, so muss der Wandler 12 den Strom I1 so modulieren, dass sich ein Phasenversatz zwischen der Netzwechselspannung Un und dem Strom In ergibt, wie als Beispiel in 7 dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t1 erreicht die Netzwechselspannung Un den Wert null und wechselt das Vorzeichen, während der Strom In noch von null verschieden ist und sich deshalb beim Umschalten des Polwenders sprunghaft ändert. Ohne zusätzliche Maßnahmen hätte deshalb der Strom In keinen sinusförmigen Verlauf mehr, wie in der unteren Kurve in 7 dargestellt ist. Eine entsprechende Verzerrung des Stromflusses träte auch nach dem erneuten Vorzeichenwechsel der Spannung zum Zeitpunkt t2 ein.
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Zweck der hier beschriebenen Energiespeicherschaltung 20 ist es, auch unter diesen Bedingungen einen (zumindest annähernd) sinusförmigen Stromverlauf zu ermöglichen. Dazu wird die Steuereinrichtung 18 so programmiert, dass sie auf einen vorgegebenen (oder ggf. auch gemessenen) Phasenversatz zwischen Strom und Spannung angemessen reagiert.
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Der Wandler 12 wird durch die Steuereinrichtung 18 so angesteuert (Pulsweitenmodulation des Schalters S1), dass der Strom I1 die in 8 in der oberen Graphik gezeigte Wellenform annimmt. Der zugehörige Strom In wäre dann zwar auch noch nicht sinusförmig aber wenigstens stetig, da der Strom in den Zeitspannen, in denen er das falsche Vorzeichen hätte, zwangsweise auf null gehalten wird.
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In 9 sind die phasenversetzten Strom- und Spannungskurven für Un in In auf einer gedehnten Zeitskala dargestellt. Zum Zeitpunkt t1 werden die Schalter S2 und S5 geöffnet, doch bleiben anders als im zuvor beschriebenen Fall auch die Schalter S3 und S4 noch geöffnet, so dass sich unmittelbar nach dem Zeitpunkt t1, zu einem Zeitpunkt t10, das in 10 dargestellte Bild ergibt. Die Induktivität der Spulen L2 und L3 und die Induktivität im Wechselstromnetz erzwingen einen fortgesetzten Stromfluss über die internen Bypassdioden der Schalter S4 und S3. Der Strom fließt also über S4 und L2 in das Wechselstromnetz und dann zurück über L3 und S3 in den Kondensator C2, der dadurch aufgeladen wird. Sobald zum Zeitpunkt t10 (9) die Spannung am Kondensator C2 einen bestimmten Schwellenwert erreicht hat, schließt der Schalter S6, und der Strom fließt über die Spule L4 und die Diode D2 in den Kondensator C3.
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Der Schalter S9 bildet zusammen mit der Spule L4, der Diode D2 und dem Kondensator C3 einen Aufwärtswandler, mit dem im Kondensator C3 eine Spannung erzeugt werden kann, die höher ist als die Spannung im Kondensator C2. Der Schalter S9 wird mit einer Frequenz geöffnet und geschlossen, die deutlich höher ist als die Wechselstromfrequenz und beispielsweise in der Größenordnung von einigen kHz liegt. Durch Pulsweitenmodulation der Schließperioden des Schalters S9 lässt sich der Strom Ib modulieren, der über die Schalter S3 und S4 des Polwenders als Blindstrom aus dem Wechselstromnetz aufgenommen wird. Durch die Steuereinrichtung 18 wird der Schalter S9 so angesteuert, dass sich der in 9 gezeigte Verlauf der ergibt, der den in 8 "fehlenden" Teil der Sinuskurve für In ergänzt, so dass sich zusammen mit dem von Wandler 12 aufgenommenen Strom ein (annähernd) sinusförmiger Verlauf ergibt, wie er durch die gestrichelte Kurve in 9 angegeben wird.
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Sobald zum Zeitpunkt t3 in 9 auch die Stromkurve den Nulldurchgang erreicht hat, werden die Schalter S3 und S4 geschlossen und die Schalter S6 und S9 werden geöffnet, so dass die Situation wieder die gleiche ist wie in 6.
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Zum Zeitpunkt t4 in 9 hat die negative Halbwelle der Spannung Un ihren Scheitelwert erreicht und dementsprechend hat auch die Spannung am Kondensator C2 ihren Scheitelwert erreicht. Die Spannung am Kondensator C2 nimmt wieder ab und wird ab einem bestimmten Zeitpunkt, beispielsweise dem Zeitpunkt t11 in 9, kleiner als die Spannung am Kondensator C3. Unter diesen Bedingungen wird der Schalter S8 leitend, wie symbolisch in 11 dargestellt ist. In den Eingang des Polwenders 14 fließt dann zusätzlich zu dem Strom aus dem Wandler 12 auch der Entladestrom des Kondensators C3, so dass die in dem Kondensator gespeicherte Energie wieder in das Wechselstromnetz 16 zurückgegeben wird. Der Schalter S8 ist ein elektronischer Schalter und bietet die vorteilhafte Möglichkeit den Entladestrom des Kondensators C3 zu modulieren.
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Wenn schließlich zum Zeitpunkt t2 (7) die Netzwechselspannung Un erneut das Vorzeichen wechselt, wiederholen sich die oben beschriebenen Abläufe mit umgekehrtem Vorzeichen.
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Auf diese Weise ist die oben beschriebene Schaltung in der Lage, den Blindstrom aus dem Wechselstromnetz 16 aufzunehmen und die entsprechende Blindleistung zu puffern, bis sie wieder in das Netz zurückgegeben werden kann.
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In einer modifizierten Ausführungsform können die Schalter S3 und S4 auch in der Zeitspanne zwischen t1 und t2 geschlossen gehalten werden (wie in 6). Das hat den Vorteil, dass der Blindstrom nicht die Flussspannungen der internen Dioden dieser Schalter zu überwinden braucht und dass der Polwender 14 sich unmittelbar durch die Netzwechselspannung takten lässt.
