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Thyristor-Inverter für Induktionsheizung mit periodische Speisung
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des Resonanzkreises mittels Energieimpulse.
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Die vorliegende Erfindung betrifft Thyristor-Inverter, die als Heizungsmittel
für Induktionsöfen verwendet werden. Insbesondere werden diese Öfen zum Durchhärten,
Randhärten und Teilhärten, für Glüh- und Nachglühbehandlungen, zum Löten und Schweissen,
sowie zur vollständigen
oder teilweisen Erwärmung von Knüppeln aus
Stahl und anderen Metallen usw. eingesetzt.
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Die Thyristor-Irverter zur Induktionsheizung mit periodischer SpeislDng
des Parallelresonanzkreises mittels Energieimpulse ermöglichen bekanntlich auch
bei Frequenzen von 10.000 Hz eine sichere Betriebsweise, wobei relativ lange Stillstandzeiten
möglich sind. Sie weisen jedoch zwei grundsätzliche Mängel auf, die sich auf die
Betriebsbedingungen und auf die Kosten des Inverters auswirken.
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Der erste Mangel besteht darin, dass bei jedem Impuls eine Energiemenge
aufs Spiel gesetzt wird, die die elektrischen Eigenschaften des Indukters und insbesondere
die Veränderungen derselben, die beim Anfahren oder während des Heizungsvorganges
selbst aufgrund der Leitwiderstandveränderungen und vor allen Dingen der Materialdurchlässigkeit
auftreten, was beispielsweise beim Erreichen der Curie-Temperatur geschieht, stark
versplrt.
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Der zweite Mangel besteht darin, dass an den Enden der Thyristoren
auch bei konstanter Gleichspannungsspeisung direkte und von den oben genannten Eigenschaften
abhängige Sperrspannungen vorhanden sind, die bei bestimmten Betriebsbedingungen
höhere Werte als die Beharrungswerte erreichen und dementsprechend zum Uberdimensioneren
der Ihyristoren zwingen.
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Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht vor allem darin,
Schaltungen für Inverter zu schaffen, die selbst bei Frequenzen von 10.000 Hz eine
sichere Betriebsweise ermöglichen und P1r jede Periode eine Energiemenge erzeugen,
deren Höchstwert unabhangig von den Veränderungen der Induktoreigenschaften ist
und Höchstspannungen an den Enden des oder der Thyristoren hervorrufen, die ebenfalls
von den
genannten Eigenschaften unabhängig sind. Das bedeutet eine
grössere Zuverlässigkeit des Inverters und eine bessere Nutzung der Thyristoren
und demzufolge geringere Anlagekosten.
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Der vargenannte Zweck ist erfindungsgemäss dadurch erreicht worden,
dass vorgesehen ist, die Schwingngen in einem aus eirxm oder mehreren Induktoren
und einer zu (liesefs parallelen Kapazität bestehenden Resonanzkreis zu halten,
wobei silber eine Induktanz in diesem Kreis impulsiv und in bestimnten Zeit Zeitintervallen
die aufgespeicherte Energie in einer oder mehreren Hilfskapazitäten, mit denen ein
oder mehrere Gleichrichterdioden parallelgeschaltet sind, die eine zur Polaritat
der Ladespannung entgegengesetzte Polarität haben, entladen werden.
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Eine bevorzugte Verwirklichung der vorliegenden Erfindung sieht vor,
dass die Impulse eine um eine Halbperiode geringere Dauer der Schwingungen haben.
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Nach einer anderen vorzugsweisen Verwirklichung ist vorgesehen, dass
die Energieübertragung von den Hilgskapazitäten im Resonanzkreis von den Augenblicken
aus erfolgt, die der Nullstellung der Spannung an den Enden des genannten Kreises
vorausgehen oder folgen oder mit ihr zusammentreffen.
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Eine weitere Verwirklichung der Erfindung sieht vor, dass die Induktoren
mit den Kapazitäten des Resonanzkreises parallel verbunden sind und über Spartransformatoren,
Transformatoren, Induktanzen oder Kondensatoren eingeführt werden.
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Eine weitere erfindungsgemässe Verwirklichung sieht vor, dass der
Resonanzkreis über einen Spartransformator oder einen Transformator in den Inverter
eingefflhrt wird.
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Eine andere erfindungsgemässe Verwirklichung sieht vor, dass die Hilfskapazitäten
in den Zeitintervallen, die der Entladung auf den Resonanzkreis folgen, von der
Speisequelle über Induktanzen und seriengeschaltete Thyristoren oder rLr über Induktanzen
gespeist werden.
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Eine andere Verwirklichung der Erfindung s rieht vor, dass die Energie
der Hilfskapazitäten über eine oder mehrere mit einem oder mehreren Thyristoren
reihengeschaltete Induktanzen auf den Resonanzkreis entladen werden, wobei die Thyristoren
seriegeschaltet, parallelgeschaltet oder parallelseriengeschaltet sein können.
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Eine weitere Verwirklichung der Erfindungs sieht vor, dass die Hilfskapazitäten
aus einem oder mehreren stufenweise einfuhrbaren Kondensatoren bestehen, um die
Regelung der auf den Resonanzkreis übertragenen Energie zu ermöglichen, wobei die
Enden der genannten Kondensatoren mit einer alter mehrerer Gleichrichterdioden parallelgeschaltet
sirup.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Gleichrichterdioden
aus Halbleiterkomponenten, Thyratronen oder Quecksilberdampf-Wechselumrichter bestehen.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand einiger in den beigefügten Zeichnungen
eargestellten Ausführungsbeispiele naher beschrieben. Es zeigen: Fig. la nur als
Hinweis eine der bekannten Schaltungen für Energieimpuls-Inverter; Fig. lb, lc und
ld Strom- und Spannungsschemen, die mit einer Schaltung gemäss Fig. la erhalten
werden; Fig. 2 ein Beispiel einer erfindungsgemässen Schaltung, die die in Fig.
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la gezeigte Schaltung ersetzt;
Fig. 2b, 2c und 2d
Darstellungskurven der Ströme und Spannungen an einigen Stellen der Schaltung 2a;
Fig. 321 ein Schema gemäss der vorliegenden Erfindung, das sich von der Fig. 2a
durch das Fehlen des Ladethyristors der IIilfskapazität unterscheidet; Fig. 36,
3c und 3d die Kurven der Ströme und Spannungen der Schaltung gemäss Fig. 3a; Fig.
4a eine weitere erfindungsgemässe Schaltung; Fig. 4b, 4c und Lid die Kurven der
von der Schaltung 4a erzeugten Ströme und Spannungen; Fig. 5a, 5b und 5c Darstellungen
der Resonanzkreise, bei denen der Induktor nicht urnnittelbar auf dem Kondensator
abgezweigt ist.
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ln Fig. la ist beispielsweise eine der bekannten Schaltungen für Energieimpuls-Inverter
gezeigt.; mit 1 und 2 sind die dem Induktor gleichwertige Induktanz, sowie die Parallelwiderstände
bezeichnet; 3 ist die Kapazität des Parallel-Resonanzkreises; 4 ist die Iiilfskapazität,
in der die im Widerstand des Resonanzkreises zerstreute Energie eriodisch geladen
anschliessend auf den Resonanzkreis entladen wird; mit 5 und 6 sind die Induktanzen
und mit 7 und 8 die Thyristoren bezeichnet.
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In diesem Schema ist V die Spannung der Gleichstromspeisequelle, V123
die Spannung an den Enden des Resonanzkreises, V4 zeigt die Spannungen an den Enden
der Kapazität 4, mit V und V8 sind die Spannungen an den 7 Enden der Thyristoren
7 und 8 und mit i7 i8 die Ströme über die Thyristoren bezeichnet.
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Die in den Fig. Ib, lc, ld dargestellten Zeichnungen beziehen sich
auf den Fall der Stromimpulse i8, die die gleiche Dauer einer Halbperiode der Spannung
des Resonanzkreises mit alternierender Kupplung der Thyristoren 7
und
8 in Übereinstimmung mit den UbergEngen für die Nullstellung der Spannung V123 haben.
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123 Dieses Beispiel entspricht einem normalerweise verwendeten Arbeitsablauf,
wobei es Rückstellungszeiten der Thyristoren ermöglicht, die wenigstens einer Halbperiode
gleicll und damit auch für den Betrieb bei 10.000 Hz ausreichend sind.
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In den Diagrammen der Figuren lc und ld sind die positiven und negativen
Höchstwerte V41 und V42 der Spannung an den Elden des Kondensators 4, sowie die
Höchstwerte der direkten Spannungen V @@ und 81 und der Sperrspannungen V72 und
V82 an den Enden der beiden Thyristoren 7 und 8 angegeben.
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Bei Parität der Gleichspannung V hängt der Wert der Spannung V41,
ausser 0 von der Dauer der Stranimpulse i8, van Wert der negativen Anfangsladespannung
V42 ab> die ihrerseits an das Verhältnis der Reaktanz und dem Widerstand, die
dem Induktor gleichwertig sind, gebunden ist.
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Wenn sich auch Bedingungen einstellen können, bei denen die Restspannung
im Kondensator 4 null ist oder sich auf positive Werte hält, ergibt sich normalerweise
bei den praktischen Anwendungen die Umkehr der Polarität mit weitgehenden Variationen
des Spannungswertes V42, wem der Inverter in der Anlaufperiode oder zum Erwärmen
einzelner Magnetstahlstücke (im Falle des Härtens) Sunktioniert, wobei die Curie-
Temperatur von unten nach oben übergeht.
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Daraus ergeben sich bedeutende VeränderLugen der Spannung V41, die
zu prozentual ungefähr doppelten Veränderungen der bei jedem Impuls übertragenen
Energie und zu Veränderungen der aktiven Leistung führen,
die auch
grösser sein können, da die Frequenz des Resonanzkreises nicht konstant bleibt.
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Ausserdem entsprechen die Werte der Spannungen V41 und V42 ebenso
hohen Spannungswerten V71, V72, V81, V82 an den Enden der Thyristoren, deren Bemessung
deshalb im Hinblick auf die ungünstigsten Beanspruchungen gemacht werden müssen,
auch wenn sie nicht im Beharrungszustand oder bei anormalen Betriebsbedingungen
auftreten.
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ähnliche Betrachtungen gelten auch für den Fall, dass die StromImpulse
i8 alle zwei oder mehr Perioden gegeben werden.
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Das Schclrn der Fig. 2a, das nur als Beispiel dient, stellt die erfindungsgemässe
Schaltung dar, die die VChaltung gemäss Fig. 1a ersetzt.
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Das dieses Schema kennzeichnende Element, das zu Stromimpulsen im
Resonanzkreis mit einer konstanten Energie, sowie zu niedrigen Spannung werten an
den Erden der Thyristoren Anlass gibt, besteht aus einer auf der Kapazität 4 des
Schemas la parallelgeschalteten Diode.
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Im Schema 2a sind mit der gleichen Bezuganunner dieselben Konponenten
und Symbole der Fig. la bezeichnet. Ausserdem ist mit 9 eine Diode und mit i9 der
durch die Diode gehende Strom bezeichnet.
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Die Diagramme 2b, 2c und 2d beziehen sich ebenfalls auf den besonderen
Fall von Stromimpulsen i8 mit einer einer Halbperiode gleichen Dauer und mit Zündung
der Thyristoren in Übereinstimmung der Nullstellung der Spannung V123.
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Die Diagramme 2c und 2d zeigen deutlich den wesentlichen Unterschied
im Verlauf der Spannung an den Enden des Kondensators 4 und der Thyristoren 7 und
8.
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Der Kondensator 4 entladet infolge der Wirkung des Stroms i9, der
die Diode 9 durchstrcut und sich offenbart, weiiri sich die Spannung an den Enden
umschaltet, auf den Resonanzkreis die gesamte in ihm gespeicherte Energie und nimnt
in jedem Fall am Ende der Entladung eine Restspannung null an.
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Demzufoge entspricht die Höchstladespannung V41 (fig. 2c) immer demselben
Wert und somit hat auch die darin gespeicherte Energie, die nachher auf den Resonanzkreis
entladen wird, den gleichen Wert.
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Die Beständigkeit der Spannung V41 und die Null spannung bei Beendigung
der Entladung veranlasst an den Thyristorenenden bei den Höchstspannungen V71, V72,
V81, V82 der Fig. 2d günstigere und bestimmtere Spannungen als die der Fig. ld entsprechenden
Spannungen zum Zwecke der Beanspruchungen der Thyristoren selbst.
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Wie gesagt, bleibt der Wert der Höchstspannung V41 des Diagramms 2c
bei allen Betriebsveränderungen, die (im Schema der Fig. la) zur Spannungsumkehr
an den Enden des Kondensators 4 führen könnten, unverändert.
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Diese Bedingungen ergeben sich normalerweise beim Funktionieren mit
Vollast oder mit Uberlast, sodass, auch wem den im Resonanzkreis stattfindenden
Frequenzveränderungen Rechuung getragen wird, das Schema der Fig. 2a automatisch
auch die überlast verhindert.
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Das ist besonders vorteilhaft beim Erwärmen zur Härtung und beim Vorgang
des Anfahrens der Heizung zum Kernhärten von Stahlknüppeln beim Gesenkschmieden.
Im ersten Falle ermöglicht der erfindungsgemäsae Inverter den Höcstleistungsbedarf,
der auch die Curie'Temperatur übersteigen kann, ohne Anlass zu tberlasten in Übereinstimmung
mit geringeren Temperaturen zu geben, wenn der Stahl magnetisch ist. Im
zweiten
Falle ist es möglich, mit dem mit kalten Knüppeln vollen Induktor anzufahren, d.h.
bei Bedingungen, die zu nicht akzeptierbaren Überlasten Anlass geben witlen.
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Es ist klar, dass die Funktion der Diode 9 des Schemas 2a die Funktionsbedingungen
(im allgemeinen bei Unterlast) einstellt, die keine Umkehr der Spannung der Kapazität
4 mit sich bringen.
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Ergebnisse, wie die mit den durch Abwendung der erfindungsgemässen
Schaltung rauch Fig. la erhaltenen, sind in fast allen Schemen der Inverter durchführbar,
die vom Irduktor gekennzeichnet sind, der Teil eines Parallelresonanzkreises ist
und dessen Schwingungen beibehalten werden, wobei in ihm periodisch durch Stromimpulse
die vorher gespeicherte Energie in einem oder mehreren Kondensatoren entladen wird.
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Die Periodizität der Entladungen kann - wie im dargestellten Beispiel
-der eigenen Periode des Resonanzkreises entsprechen oder alle zwei oder mehr Perioden
oder auch zu jeder Halbperiode erfolgen.
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Die Anwendung der vorliegenden Erfindung bringt auf jeden Fall die
Abzweigung von ein oder zwei Dioden auf den Hilfskondensatoren mit sich, die die
Energieübertragung durch Impulse veranlassen.
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Beispielsweise und ohne damit den allgemeinen Erfindungsgedanken einzuschränken,
sind in den Figuren 3a und 4a zwei andere Ausführungsmöglichkeiten der erfindungsgemässen
Schaltung dargestellt.
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Das erste Beispiel besteht aus dem Schema der Fig. 3a, die sich von
dem Schema der Fig. 2a durch das Fehlen des Thyristors zur Ladung der Kapazität
unterscheidet, die dem Resonanzkreis die Energieimpulse zusendet.
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In den Schemen der Figuren 3a, 3b, 3c und 3d sind die Komponenten
und Symbole, die den in den vorausgehenden Figuren dargestellten entsprechen, lit
den gleichen Bezugsnummern bezeichnet.
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Die Diagramme der Figuren 3b, 3c und 3d zeigen den Verlauf der Spannung
V123, des Stromes i8, der Spannungen V und V4, sowie der Spannung V8 an den Enden
der Thyristoren.
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Besonders interessant ist das Beispiel der Fig. 4, dass den Enlass
der Energie im Resonanzkreis durch Stromimpulse bei jeder Halbperiode verwirklicht.
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In dieser Figur sind mit 1,2 und 3 die entsprechenden Komponenten
mit der gleichen Nummer wie bei den vorstehenden Schemen angegeben, während mit
14 und 15 die Hilfskapazitäten zum Speichern und die auf den Resonanzkreis übertragene
Energieentladung und mit 16 und 17 die zu diesen parallel angeordneten Dioden angegeben
sind. Mit 18 und 19 sind die Serienirduktanzen der Entladeschaltungen der Kondensatoren
111 und 15 bezeichnet, während mit 10 und 11 zwei Thyristoren dargestellt sind.
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12 und 13 sind die Kapazität bzw. die Induktanz zur Trennung der Inverterschaltungen
von der Gleichstromquelle, während V14 und V15 die Spannungen an den Enden der Kapazitäten
14 und 15 sind. V10 und V11 sind die Spannungen an den Enden der Thyristoren 10
und 11.
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Die Ströme i10 und i sind diejenigen, die ueber die entsprechenden
Thyristoren 10 und 11 gehen. Wie die Diagramm der beispielsweise angegebenen Ströme
und der den verschiedenen Schaltungen entsprechenden Spannungen veranschaulichen,
sind auch die erfindungsgetttissen Inverter durch begrenzte Werte der Spannungsgradienten
(dv) gekennzeichnet.
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(dt) Weiterhin ist es möglich, die Thyristoren in Reihenschaltung,
in
Parallelschaltung und in Reihenparallelschaltung einzusetzen.
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Sie ennöglichen ausserdem StillstaxÇzeiten, die nur van Frequenzwert
und der Dauer des Stromimpulses anhängigen, der dem Resonanzkreis die Energie liefert.
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Mit Stromimpulsen der ungefähren Dauer einer Halbperiode werden vorzügliche
Betriebsbedingungen und eine gute Verwendung der Thyristoren auch bei Frequenzen
von 8.000 bis 10.000 Hz erhalten.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass jede Hilfskapazität 4, 14, 15 stufenweise
in die Schaltung eingesetzt werden kann, wodurch das Regeln der dem Resonanzkreis
übertragenen Energie möglich wird.
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Erfindungagemäss ist ausserdem vorgesehen, das die Gleichrichterdioden
aus Halbleiter, Thyristoren oder Quecksilberdampfwechselumrichter bestehen.
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Der Parallelresonanzkreis, der zwischen die Klemmen A und B in den
vorausgegangenen beispielsweisen Schemen (s. insbesondere Fig. 4) eingesetzt ist,
ist mit der Induktanz 1 und dem Widerstand 2 dargestellt, die dem an den Klemmen
des Kondensators 3 unmittelbar abgezeigten Induktor gleichwertig sind.
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Wie bekannt, kann in der Praxis je nach den Werten der Impedanz des
Induktors und der Speisespannung des Kondensators der Induktor auch nicht unittelbar
abgezweigt sein, wobei beispielsweise die Schema der Fig. 5 verwirklicht werden,
in welcher der Resonanzkreis zwischen den oben genannten Klemmen A und B aus einer
dem Induktor gleichwertigen Induktanz 1 und einem Widerstand 2 und einer Kapazität
3 (Fig. 5a) besteht, zwischen denen ein Spartransformator oder Transformator 24
mit kleinerer oder grösserer SekundärspanrIng als die zwischen den Klemmen A - B
bestehende Spannring
eingeschaltet ist.
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In Fig. 5b ist dagegen ein Kondensator 25 mit dem Induktor reihengeschaltet,
um an den Induktorenden eine höhere Spannung als die zwischen den Klemmen A - B
bestehende Spannung zu haben.
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In Fig. 5c ist dagegen zwischen den Klemmen A - B ein Spartransformator
oder Transformator vorgesehen, um an den Enden des Resonanzkreises, der von dem
Induktor 1 und 2 und der Kapazität 3 gebildet ist, eine niedrigere oder höhere Spannung
als die zwischen den Klemmen A und B verfügbare su haben.
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Die Diagramne der Ströme und Spannungen, die in den beispielsweise
Schemen gegeben sind und die vorliegende Erfindung betreffen, beziehen sich auf
den Fall, dass die Energietibertragung von der Hilfskapazität zum Resonanzkreis
von der Nullstelluig der Spannung ausgehend zu den Enden des genannten Kreises erfolgt.
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Mit den gleichen Schemen kann die obige tibertragung jedoch auch von
den Punkten ausgehen, die der Nullstellung vorausgehen oder folgen und zwar mit
dem Ergebnis, die Amplitude und die Dauer der Entladestrdme und damit den Wert der
übertragenen Energie zu ändern.
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Das Regeln des Entlademomentes ermöglicht schliesslich eine Regelung
der von Inverter gelieferten Leistung.