DE2443025A1

DE2443025A1 - Schaltungsanordnung mit einem wechselrichter

Info

Publication number: DE2443025A1
Application number: DE2443025A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl Phys Gehm; Werner Dipl Ing Gratzke; Wilhelm Dipl Ing Linden
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-09
Filing date: 1974-09-09
Publication date: 1976-03-25
Also published as: US4019117A; BE832903A

Description

Schaltungsanordnung mit einem Wechselrichter

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung mit einem Wechselrichter mit Ventilen in Brückensehältung.

Bei bekannten derartigen Wechselrichterschaltungen ist Jedem gesteuerten Ventil der Wechselrichterbrücke ein eigener Löschkreis zugeordnet. Dies bedingt eine große Anzahl von UmschwingdroBseln und Löschkondensatoren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Wechselrichterschaltung zu schaffen, die bei kleiner Spannungsbeanspruchung der gesteuerten Ventile einen geringen Schaltungsaufwand erforderte

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gleichspannungseingänge des Wechselrichters über symmetrisch angeordnete elektronische Schalter mit den beiden Potentialen der Speisegleichspannung verbunden sind und daß zwischen den Potsntialen der Speisegleichspannung eine vor den elektronischen Schaltern angeordnete Brückenschaltung mit Rückarbeitsdioden liegt, deren Brückenmittelpunkte mit den entsprechenden Brückenmittelpunkten der Wechselrichterbrückenschaltung verbunden sind. Als unter Last schaltbare elektronische Schalter können Transistoren, Thyristoren oder Gleichstromsteller Verwendung finden.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung enthält eine symmetrische Schalteranordnung vor einer Weehselrichterbrücke in Verbindung mit einer Rückarbeitsdiodenbrücke.

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Diese Schaltungsanordnung gestattet es, die Energiezufuhr zum Wechselrichter zu jedem beliebigen Zeitpunkt zu unterbrechen. Dadmrch kann der Mittelwert des Stromes oder der Spannung an der Last eingestellt oder die Kommutierung des Laststromes von einem Ventil der Wechselrichterbrücke auf das zeitlich nächstfolgende Ventil eingeleitet werden. Zwischen der symmetrischen Schalteranordnung und der Wechselrichterbrücke sind keine Drosselspulen oder Kondensatoren als Energiespeicher angeordnet. Die im Augenblick des Sperrens der elektronischen Schalter von der Last her eingeprägten Ströme werden auf die Rückarbeitsdiodenbrücke kommutiert, die erfindungsgemäß vor der symmetrischen Schalteranordnung liegt. Bei der Energierückführung aus dem Lastkreis in die Grleichspannungsquelle - insbesondere in den Zwischenkreisspeicher einer G-I e i ehr icht er schaltung - ist die Wechselrichterbrücke von der Gleichspannungsquelle entkoppelt. Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bestehen in der minimalen Spannungsbeanspruchung der Wechselrichterventile und im geringen Schaltungsaufwand.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich durch entsprechende Steuerung der elektronischen Schalter an eine Vielzähl von Betriebsarten anpassen. Beim Pulsbetrieb erfolgt eine synchrone Steuerung der beiden symmetrisch angeordneten Schalter, so daß entweder beide Schalter offen oder geschlossen sind. I¹Ur die Kommutierung ist eine alternierende Steuerung möglich, bei der jeweils der eine Schalter durchlässig und der andere Schalter gesperrt ist. Schließlich ist auch eine einseitige Zu- und Abschaltung eines Gleichspannungsgotentials möglich. Die Steuerung der elektronischen Schalter ist zweckmäßigerweise mit der Steuerung der Wechselrichterventile synchronisiert. Hierzu kann ein Steuersatz vorgesehen sein, der mit dem Steuersatz des Wechselrichters verbunden ist. Die Steuersätze für Wechselrichter enthalten üblicherweise einen Impulsgenerator und einen nachge-

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schalteten Ringzähler zur Verteilung der Zündimpulse auf die einzelnen gesteuerten Ventile der Wechselrichter'b-'üeke. Man wird daher vorzugsweise aus den Impulsen vor dem Ring^iüiler die Befehle für die gesteuerten elektronischen Schalter ableiten.

Bei einer Wechselrichterbrücke, die Thyristoren als gesteuerte Ventile enthält, wird ein Thyristor dadurch gelöscht, daß sein Strom auf Null gebracht wird. Die Sicherheit des Löschvorganges wird durch eine wenigstens kurzzeitig angelegte Gegenspannung erhöht. Bei einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird dies dadurch erreicht, daß jedem elektronischen Schalter ein Hilfskreis zugeordnet ist, der eine der Laststrecke des Schalters in Reihe geschaltete Drosselspule und einer dieser Reihenschaltung parallel liegende Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem Ladewiderstand aufweist.

Ausführungsbeispiffile der Erfindung und ihre- in den Unteransprüchen näher gekennzeichneten Ausgestaltungen sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 eine achematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Figo 2a, 2b Schaltungsbeispiele von Hilfskreisen für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung mit Transistoren als gesteuerte elektronische Schalter,

Pig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einem gemeinsamen Hilfskreis für beide elektronische Schalter,

Pig. 4 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Pig. 5 ein Impulsdiagramm für die Schaltung der Pig. 4.

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Die Darstellung der Pig. 1 zeigt einen sechspu.¹ sigen Wechselrichter 10 mit gesteuerten Ventilen n1 bis n6 in Brückenschaltung, der mit einem Lasttransformator mit den V/^^i:- lungen W_R, Wg, W^,, an den Phasen R, S, T abgeschlossen ist. Die Gleichspannungswingänge 5 und 6 des Wechselrichters 10 sind über schematisch dargestellte steuerbare elektronische Schalter 13 und 14 mit den beiden Potentialen der Speisegleichspannung verbunden. Die Steuereingänge 7 und 8 der Schalter 13 und 14 stehen mit einem Steuersatz 12 in Wirkverbindung, der mit dem Steuersatz 11 des Wechselrichters synchronisiert ist. Eine dreiphasige Brückenschaltung 9 mit den Rückarbeitsdioden d1 bis d6 liegt zwischen den Klemmen 1,2 und 3,4 liegt zwischen den beiden Potentialen der Speisegleichspannung. Die Brückenmittelpunkte der Rück™ arbeitsdiodenbrücke 9 sind mit den entsprechenden Brückenmittelpunkten der Wechselrichterbrücke 10 verbunden.

Zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden die Vorgänge bei der Kommutierung betrachtet. Es sei angenommen, daß der Laststrom während einer Phase vom positiven Potential der Speisegleichspannung über den Schalter 13, den Tnyristor n3, die Wicklungen W_g und Wm des Lasttransformators, den Thyristor n2 und den durchlässig gesteuerten Schalter 14 zum negativen Potential der Speisegleichspannung fließt« Zur Einleitung der Kommutierung vom Thyristor n2 auf den Thyristor n4 wird der Schalter 14 in Sperrung gesteuert. Wenn der Schalter 14 gesperrt ist und das Potential der Phase T um die Schwellenspannung der Rückarbeitsdiode d2 über das Potential der Speisegleichspannung angestiegen ist, so wird die Rückarbeitsdiode d2 geflutet. Der bis dahin stromführende Thyristor n2 wird stromlos und geht in den Sperrzustand über. Wenn der Thyristor n2 stromlos geworden ist, so wird nach Ablauf der Schonzeit der Schalter 14 wieder durchlässig gesteuert und

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der jetzt den laststrom übernehmende Thyristor n4 gezündet.

Die dargestellte Schaltung ermöglicht auch einen . ul i'· atrieb des Wechselrichters 10. Beim Pulsbetrieb wird der Thyristor n2 durch einen Dauerimpuls offengehalten. Der Schalter 14 schaltet die treibende Spannung je nach Erfordernis in Abhängigkeit vom Ausgangsstrom oder von der Ausgangsspannung wieder zu.

In den Figuren 2a und 2b sind mögliche Ausführungen für gesteuerte elektronische Schalter dargestellt, die in der Darstellung der Figur 1 zwischen den Klemmen 3, 5, 7 bzw. 4> 6, φ eingesetzt werden können. Als Schalter dienen Schalttran- -: sistoren T13 bzw. TH, denen jeweils ein Hilf skr eis zugeordnet ist. Der Hilfskreis für den Transistor T13 (Fig. 2a) enthält eine seiner Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe geschaltete Drosselspule 113 und eine dieser Reihenschaltung parallel liegende Reihenschaltung aus einem Kondensator G13 und einem Ladewiderstand R13. Zwischen dem Kondensator 013 und dem Ladewiderstand R13 liegt eine Diode 16. l)e.r Mittelpunkt zwischen dem Transistor T13 und der Drosselspule L13 ist über eine weitere Diode 15 mit dem Mittelpunkt zwischen dem Kondensator C15 und der ihm in Reihe geschalteten Diode 16 verbunden. Der Hilfskreis für den Transistor TI4 (Fig". 2b) enthält in entsprechender Weise eine Drosselspule L14, einen Kondensator C14 und einen Widerstand R14, sowie die Dioden 17 und 18. \

Die Hilfskreise bilden Schalthilfen für die Se rial t trans i&toren, die bei den Schaltvorgängen einen raschen Stromanstieg bzw. Stromabbau bewirken und damit die Verlustleistung verringern. Die Wirkungsweise dieser Hilfskreise wird anhand von Fig. 2a näher erläutert:

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Im gesperrten Zustand des Transistors T1? winde der Kondensator 013 auf die Differenz spannung zwirnen, der Spannung an Klemme 3 und der Spannung an Klemme 5 aafguiad-":.. V'ird nun auf den Steuereingang 7 des Transistors T13 ein Ansteuersignal z-qim Durchschalten des Transistors gegeben, so bricht die Kollektor-Emitter-Spannung auf den Wert der Sattigungsspannung zusammen. Die Differenzspannung zwischen den Spannungen an den Klemmen 3 und 5 fällt nun kurzzeitig an der Drosselspule L13 ab und erzeugt im Transistor T13 einen Stromanstieg, der durch die genannte Differenzspannung und die Induktivität der Drosselspule L13 begrenzt ist. Die Entladung des Kondensators G13 erfolgt während der Einschaltdauer des Transistors T13 über den Widerstand R13 und die Diode 16. Die Entladung des Kondensators C13 erfordert eine Mindesteinschaltzeit des Transistors Ti3, die durch das Produkt aus der Kapazität des Kondensators G13 und dem ohmschen Widerstandswert des Wirkwideretandes ii3 gegeben ist, vorzugsweise durch den dreifachen Viert diese" Produktes. D:r Stromanstieg beim Durchschalten an η Tran au at. j.: 3 TIj? ist s^mit begrenzt.

Beim Schalten des Transistors T13 in den gesperrten Zustand wird durch die Verringerung des Stromes im Transistor ein zunächst geringer Spannungsanstieg auf der Ko]..Lektor-Emitter-Strecke erzeugt, der die Diode ο ir ihren Durchlafizustand versetzt. Der augenblicklich durch den Transistor T Π ¹ι?λί. die Induktivität L13 fließende Strori wird hierdurch vom Transistor abkommutiert uitd fließt als Verschiebung: troBi über den Kondensator G13, die Diode 15 und die Induktivität L13 weiter, während der Kollektorstrom dr?s Transistors bereits zu Null geworden ist. Sobald nun der Kondensate·· auf eine Spannung aufgeladen ist, die größer ist als die Differenz der Spannungen an den Klemmen 3 und ^r;, wird die Diode 16 geflutet, so daß die verbleibende magnetiocnc Energie über den Wirkwiderstand R13, die Dioden 15 und 16

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abgebaut wird. Dies verlangt eine Mindestausec rilt dauer des Transistors, die durch den Quotienten aus der xnd¹.i·. tivität der Drosselspule L13 und dem ohmschen Widerstandener ·. des Wirkwiderstandes R13 gegeben ist, vorzugsweise durch den dreifachen Wert dieses Quotienten. Der Spannungsanstieg beim Ausschalten des Transistors T13 ist somit ebenfalls begrenzt.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 2b ist entsprechend.

Fig. 3 zeigt eine sechspulsige Wechselrichterschaltung mit Transistoren TR13 und TR14 als elektronische Schalter, denen ein gemeinsamer Hilfskreis zugeordnet ist. Dieser Hilfskreis liegt zwischen den Gleichspannungseingängen 5 und 6 des Wechselrichters 10 und enthält eint- Reihenschaltung aus einem Kondensator 19 und einem von einer Diode 21 überbrückten Ladewiderstand 20. In dieser Schaltung öind die Kommutierungszeiten vom Laststrom abhängig, Dia ;3cn.ali,ung ist sowohl leerlauf- als auch kurzsch¹.ußfe-at.

Zur Erläuterung der Schaltung wird der Kommutierungsvorgang beschrieben. Der Laststrom fließt über den Transistor TR13, den Thyristor n3, die Wicklungen W₀ und W„, den Thyristor n2 und den Transistor TR14. Gleichzeitig wird der Hilfskreis als Abschalthilfe für die beiden Transistoren vorbereitet. Der Kondensator 19 des Hilfskreisea wird über den Ladewiderstand 20 aufgeladen. Die Kommutierung wird durch das Sperren des Transistors TR14 eingeleitet. Der Lastatrom kommutiert kurzzeitig auf den Kondensator 19 und die Diode 21 des Hilfskreises, so daß der Transistor TH14 stromlos abschalten kann. Der Kondensator 19 wird dabei entladen. Wenn der Kondensator 19 entladen ist und das Potential der Phase T um die Schwellenspannung der Rückarbeitsdiode d2 über das Potential der Speisegleichspannung angestiegen ist, so wird die Rückarbeitsdiode d2 geflutet. Der bis dahin

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stromführende Thyristor n2 wird stromlos und geht in den Sperrzustand über. Wenn der Thyristor n2 stromlos geworden ist, so kann nach Ablauf der Schonzeit der Trans is ι or I¹RH durchlässig gesteuert und gleichzeitig der den Laststrom übernehmende Thyristor n4 gezündet werden. Dabei wird wieder der Hilfskreis als Abschalthife für die Transistoren durch Aufladung des Kondensators 19 vorbereitet. Da der Kondensator 19 über den Laste m entladen wird, verlängert sich mit kleiner werdendem ütrom linear seine Entladezeit. Während dieser Entladezeit bleiben die Thyristoren geflutet. Demzufolge richtet sich die Sperrzeit der Transistoren nach der Schonzeit der Thyristoren.

Fig. 4 zeigt eine Schältungsausführ ung, die es erlaubt, den Laststrom unabhängig vom Lastzustand am Ausgang des Wechselrichters zu pulsen und zu kommutieren. Jedem Thyristorventil n1 bis n6 der Wechselrichterbrückenschaltung ist eine Diode n_. bis n_D£- in Reihe geschaltet. Jedem der als elektronische Schalter dienenden Transistoren ST5 und SH ist ein Hilfskreis zugeordnet, der jeweils zwischen dem Mittelpunkt zwi*- schen dem gesteuerten Ventil und der Diode eines Wechselrichterbrückenzweiges und dem inversen Potential der Speisegleichspannung liegt. Jeder Hilfskreis enthält eine Reihenschaltung aus einem Kondensator K1 bis K6 und einem von

einer Diode η _Λ bis η _c überbrückten Ladewiderstand r.. bis si so si

r g. Die Mittelpunkte zwischen Kondensator und Ladewiderstand sind jeweils über eine Diode η ^ bis n_gg und einen Widerstand r-.. bzw. r„₂ mit einem Gleichspannung seingang 5 bzw. 6 des Wechselrichters verbunden. Die Gleichspannungseingänge 5 und 6 des Wechselrichters sind mit einer Reihenschaltung aus einer Diode n_RE und einem Transistor S22 als gesteuerte elektronische Schalter überbrückt.

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Die Erläuterung der Punktionsweise erfolgt wiederum anhand eines Kommutierungsvorganges. Der ^aststrom fließ¹:· über den Transistor S13, den Thyristor n1 und die in .Reihe geschaltete Diode n_R1 , dieWicklungen W_R und Wg, die Diode n-o^ und den Thyristor n6 und den Transistor 314. Gleichzeitig werden die als Abschalthilfe für die Transistoren S13 und S14 vorgesehenen Kondensatoren K1 und K6 über die -^adewiderstände r_g1 und r_gg aufgeladen. Der Kommutierungsvorgang wird durch das Sperren des Schalters S13 eingeleitet. Sofort kommutiert der fckber die Last induktiv eingeprägte Strom vom Thyristor n6 auf einen Hilfsweg, der aus der Diode η g und dem Kondensator K6 besteht. Der Thyristor n6 kann damit sofort in den Sperrzustand übergehen. Der Laststrom fließt auf dem beschriebenen Weg weiter, bis der Kondensator K6 entladen ist. Nach einer geeignet vorgebbaren 2eit am Ende der Stromflußdauer des Thyristors ηβ wird der Transistor S22 durchlässig gesteuert. Hat der Kondensator K6 zu diesem Zeitpunkt noch Ladung, so erfolgt seine Entladung über den Transistor S13, die Diode iw,, den Transistor S22, den Widerstand r^p ^und die Diode η g. Während dieser Zeit liegt Sperrspannung am abgeschalteten Thyristor ηβ. Da beim Pulsbetrieb während der Stromführungsdauer die Hauptthyristoren ohne Rücksicht auf eine Schonzeit betrieben werden können, muß der Transistor S22 nur einmal am Ende der Stromführungszeit bzw. vor dem Einschalten des Gegenthyristors der gleichen Phase durchlässig gesteuert werden. Nach der völligen Entladung des Kondensators K6 kommutiert der Laststrom auf die Rückarbeitsdiode d6. Beim Pulsbetrieb des Y/echselrichters kann jetzt der Transistor S14 durchlässig gesteuert und der Thyristor ηβ gezündet werden. Der Kondensator K6 wird als Abschalthife für den Thyristor S14 wieder aufgeladen. Ebenso kann vom Thyristor n6 auf den Thyristor n2 weiterkommutiert werden, wenn der Transistor S22 gezündet war.

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Wenn die beiden Transistoren S13 und SH gleichzeitig in den Sperrzustand gesteuert weiden, kommutiert der Laststrom zunächst auf die Hilfskreise und dann auf die Vitfckarbeitsdioden. Der Laststrom kann beispielsweise zunächst über den Kondensator K1, die Diode η ., die Diode n_fi1, die Wicklungen W_R und W_g, die Diode iw, die Diode η r und den Kondensator K6 fließen. Sobald die Kondensatoren K1 und K6 entladen sind, kommutiert der Strom auf die Rü&karbeitsdiode d6.

Fig. 4 zeigt ein Impulsschema für die Impulse der Thyristoren n1 bis n6, den Transistor S22 und die Transistoren S13 und S14, bei einem Betrieb mit einer Stromführungsdauer von 120°. Aus diesem Impulsdiagramm können die benötigten Steuerimpulse abgeleitet werden.

4 Figuren

9 Patentansprüche

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Claims

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1. Schaltungsanordnung mit einem Wechselrichter mit gesteuerten Ventilen in Brückenschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die öleichspannungseingänge (5, 6) des Wechselrichters (10) über symmetrisch angeordnete elektronische Schalter (13, H) mit den beiden Potentialen (3, 4) der Speisegleichspannung verbunden sind, und daß zwischen den Potentialen der Speisegleichspannung eine vor den elektronischen Schaltern (13, 14) angeordnete Brückenschaltung (9) mit Rückarbeitsdioden (d1 bis d6) liegt, deren Brückenmittelpunkte mit den entsprechenden Brückenmittelpunkten der Wechselrichterbrückenschaltung (10) verbunden sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Transistoren als elektronische Schalter.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Thyristoren als elektronische Schalter.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Gleichstromsteller als elektronische Schalter.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der als elektronische Schalter dienenden transistoren (z.B. T13) ein Hilfskreis zugeordnet ist, der eine seiner Emitter-Kollektor-Strecke in Reihe geschaltete Drosselspule (L13) und eine dieser Reihenschaltung parallel liegende Reihenschaltung aus einem Kondensator (G13) und einem Ladewiderstand (R13) aufweist (Pig. 2a).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Diode (16) in der Reihenschaltung zwischen dem Kondensator (C13) und dem Ladewrderstand (R13).

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7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt zwischen dem Transistor (T13) und der Drosselspule (L13) über eine weitere Diode (15) mit dem Mittelpunkt zwischen dem Kondensator (C13) und der ihm in Reihe geschalteten Diode (16) verbunden ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß den beiden als elektronische Schalter dienenden Transistoren (TR13, TR14) ein gemeinsamer Hilfskreis zugeordnet ist, der eine zwischen den Gleichspannungseingängen (5, 6) des Wechselrichters (10) liegende Reihenschaltung aus einem Kondensator (19) und einem von einer Diode (21) überbrückten Ladewiderstand (20) enthält (Pig. 3).

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale«

a) jedem gesteuerten Ventil (n1 bis n6) der Wechselrichterbrückenschaltung ist eine Diode (n_R1 bis n_Rg) in Reihe geschaltet,

b) jedem der als elektronischer Schalter dienenden Transistoren (S13, S14) ist ein Hilfskreis zugeordnet, der jeweils zwischen dem Mittelpunkt zwischen dem gesteuerten Ventil und der Diode (z.B. n1, n_R1) eines Wechsilrichterbrückenzweiges und dem inversen Potential der Speisegleichspannung liegt,

c) jeder Hilfskreis enthält eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (z.B. K1) und einem von einer Diode (n .,) überbrückten Ladewiderstand (^r _s-|)>

d) die Mittelpunkte zwischen Kondensator (K1) und Ladewiderstand (r_s1) sind jeweils über eine Diode (n_e1) mit einem Gleichspannungseingang (5 bzw. 6) des Wechselrichters verbunden,

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e) die Gleichspannungseingänge (5, 6) des Wechselrichters sind mit einer Reihenschaltung aus einer Diode (η_Ότ>)

und einem gesteuerten elektronischen Schalter (b22) überbrückt (Pig. A).

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