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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die Festkörperwechselrichter zur Versorgung
von Netzleitungen mit Ersatzspannung verwendet. Genauer betrifft
sie eine Vorrichtung, welche eine Ersatzspannung in Reihe in eine
Netzleitung einspeist, wie zum Beispiel einen Dynamic Voltage Restorer
oder einen Active Power Line Conditioner. Die Wechselrichter sind
an die Primärwicklungen
des einzelnen Transformators angeschlossen und werden über zusätzliche
Sekundärwicklungen
netzbetrieben.
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Hintergrundinformation
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Es
gibt verschiedene Vorrichtungen zur Versorgung von Netzleitungen
mit Ersatzspannung, welche Wechselrichter enthalten. Eine solche
Anlage ist der Dynamic Voltage Restorer (DVR), wie beschrieben im
US-Patent 5 329 222. Wenn vorgelagerte Fehler zu kurzzeitigen Spannungseinbrüchen führen, speist
der DVR eine Spannung in Reihe mit der Stromquelle ein, um so die
fehlende Spannung zu ergänzen.
Das im Patent beschriebene DVR verwendet an einem gemeinsamen Gleichstromanschluss drei
einphasige Wechselrichtermodule, die über Injektionstransformatoren
an die Stromversorgerleitung angeschlossen sind. Das Verfahren des
gemeinsamen Gleichstromanschlusses erlaubt den Einsatz einer gemeinsamen
Energiequelle zur Versorgung von drei getrennten Einspeisungssystemen, eines
für jede
Phase in einem dreiphasigen System. Diese gemeinsame Energiequelle
kann zum Beispiel eine Kondensatorreihe sein oder ein Anschluss, über den
die benötigte
Leistung vom Netz bezogen wird, sogar wenn die Spannung einbricht.
Die Injektionstransformatoren isolieren die Leistungselektronik vom
Netz. Sie erlauben damit, dass die maximale Einspeiseleistung kleiner
ist als die Quellenspannung. Man weiß, dass die große Mehrheit
der Spannungseinbrüche
in Versorgungssystemen weniger als 50% der Phasen-Nullleiter-Spannung
ausmachen. Der DVR kann diese Spannungseinbrüche mit einer Wechselrichterleistung
beheben, die geringer ist als die angeschlossene Last, die durch
den DVR geschützt
wird.
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In
der Praxis können
die Wechselrichtermodule des DVR als einzelne Leistungsgeräte implementiert
werden, wenn die Leistungen hoch genug sind; Reihen von Leistungsgeräten, wie
sie zurzeit verwendet werden, sind beschrieben in US-Patent 5 347
166; oder in US-Patent 4 674 024 für einphasige Wechselrichtermodule.
Es sind auch größere Einheiten
möglich,
die Magnete zur phasengestaffelten Wellenformvermischung verwenden.
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Die
Strukturen mit einem Injektionstransformator erlauben, wie bereits
erwähnt,
einen gemeinsamen Gleichstromanschluss und Energiespeicheranschluss,
da der Injektionstransformator die nötige Abschirmung bietet. Dieses
Verfahren erfordert drei einphasige oder einen dreiphasigen Transformator mit
einem fünfarmigen
Kern, da ein solcher Transformator Nullspannungskomponenten unterstützen muss.
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In
vielen Anwendungen ist es möglich
und sogar wünschenswert,
die zum Ausgleich der Spannungsabfälle benötigte Leistung von der Quelle
abzuleiten. Es wird keine wesentliche Energiespeicherung zur Verfügung gestellt.
Man kennt ein netzbetriebenes DVR, bei dem ein dreiphasiger Transformator
mit einer an die Sekundärseite
angeschlossenen Gleichrichterbrücke
die Energie direkt aus dem Netz bezieht. Aufgrund dieser Anordnung
beziehen nicht nur die Injektionstransformatoren sondern auch der
dreiphasige Transformator Energie aus dem Netz. Wenn die Eingangsspannung
abfällt,
antwortet der netzbetriebene DVR, indem er mehr Strom von der Quelle
zieht, um die Last mit der benötigten
Leistung zu versorgen. Das Produkt aus positiver Quellenspannung
und Strom bleibt konstant.
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US-Patentanmeldung
Nr. 09/017,034, eingereicht am 2. Februar 1998, schlägt einen
sternpunkt-verbundenen DVR vor, in dem ein dreiphasiger Wechselrichter über eine
Sternschaltung die Sekundärwicklungen
eines dreiphasigen Lasttransformators mit dem Lastende der Netzleitung
verbindet. Der Einsatz eines Injektionstransformators wird vermieden
und wenn der Lasttransformator bereits im System eingebaut ist,
wird kein weiterer Transformator benötigt. In einer netzbetriebenen
Version des sternpunktverbundenen DVR wird der Wechselrichter von der
Lastseite betrieben. Falls der Wechselrichter auf 50% Einspeisung
optimiert sein soll, wird ein Netztransformator benötigt. Insgesamt
werden also zwei Transformatoren benötigt. Die Patentanmeldung mit der
Bezeichnung „Power
Inverter Apparatus Using The Load Transformer Of An AC Power Line
To Insert Series Compensation" (Anwaltszeichen RDM97-037),
gemeinsam gehalten mit C.G. Hochgraf, offenbart mehrere Verfahren
einen Wechselrichter an die Primär-
oder Quellenseite eines Transformators in einem DVR anzuschließen. Dieses
System teilt einige Vorteile des sternpunkt-verbundenen DVR. Es
hält die
Transformatorspannung bei einem Spannungsabfall konstant, wohingegen
der sternpunkt-verbundene DVR nur die Lastspannung konstant hält. In dieser
Version wird in den meisten Fällen
nur ein Transformator benötigt.
In Ausführungen dieses
Systems mit dreieckgeschalteter Primärwicklung und einem dreiphasigen
Wechselrichter mit einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis zur
Versorgung mit der Ersatzspannung wird zur Isolierung nur ein einphasiger
Injektionstransformator benötigt.
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Eine
andere Vorrichtung, die zur Versorgung mit einer Ersatzspannung
eine Reiheneinspeisung mit Transformatorkopplung verwendet, ist
der Active Power Line Conditioner (APLC). Der APLC enthält einen
in Reihe geschalteten und einen parallel geschalteten Wechselrichter,
die über
einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis verbunden sind. Der
parallel geschaltete Wechselrichter überträgt die Wirkleistung an den
und vom in Reihe geschalteten Wechselrichter und liefert auch Oberschwingungsströme und die
Blindkomponente des Laststroms. Die Reihenschaltung im APLC leidet
wegen des besprochenen in Reihe geschalteten Injektionstransformators
unter den gleichen Beschränkungen
wie der DVR. US-Patentanmeldung Nr. 09/017,034, eingereicht am 2.
Februar 1998, offenbart den Anschluss des parallel geschalteten
Wechselrichters an die Lastseite der Netzleitung. Obwohl bei diesem
APLC der Einsatz eines Injektionstransformators vermieden wird durch
Verwendung einer Sternpunktschaltung für den in Reihe geschalteten Wechselrichter,
braucht der APLC zum Anschluss des parallel geschalteten Wechselrichters
einen zusätzlichen
Transformator auf der Lastseite der Netzleitung, wenn das Wechselrichtersystem
teilweise leistungsgestuft ist.
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Obzwar
die verbesserten DVR und APLC die Aufstellkosten vermindern, indem
die Zahl der Transformatoren kleiner ist, die man zur Reiheneinspeisung
der Ersatzspannung in die Netzleitung benötigt, benötigen der APLC und der DVR,
wird dieser netzbetrieben und nutzt er den Vorteil eines „partial
rating", immer noch
einen eigenen, an das Netz angeschlossenen Transformator.
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Daher
besteht ein Bedarf an verbesserten DVR und APLC, die zur Energieversorgung über das Netz
keinen eigenen oder zusätzlichen
Transformator benötigen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
und andere Bedürfnisse
werden durch die Erfindung erfüllt.
Sie ist zur Versorgung einer Netzleitung mit einer Ersatzspannung
auf Vorrichtungen ausgerichtet, die eine Transformatoreneinrichtung
enthalten, die eine an das Quellenende der Wechselstromnetzleitung
angeschlossene Primärwicklung
besitzt und mindestens zwei Sekundärwicklungen, wobei eine der
Sekundärwicklungen
mit dem Lastende der Netzleitung verbunden ist. Eine an die Primärwicklung
angeschlossene Wechselrichtereinrichtung addiert eine Ersatzspannung
zu der von der Quelle an die Primärwicklung gelieferten Eingangsspannung.
Eine Gleichspannungsanpassungsschaltung, die an die zweite der Sekundärwicklungen
und an die Wechselrichtereinrichtung angeschlossen ist, versorgt
die Wechselrichtereinrichtung aus dem Netz mit Gleichspannung. Bei
den DVR enthält
die Schaltung Gleichrichter um die Gleichspannung aus dem Netz abzuleiten.
Bei den APLC sind die Gleichspannungsanpassungsschaltungen zum Austausch
von Leistung mit dem Netz mit zusätzlichen Gleichrichtereinrichtungen
versehen.
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Obwohl
die Erfindung angewendet werden kann auf Wechselstromnetzleitungen
mit einer beliebigen Anzahl von Phasen, auch einer Phase, ist sie besonders
geeignet für
die herkömmlichen
dreiphasigen Wechselstromnetzleitungen. In solchen Anwendungen ist
die Wechselrichtereinrichtung ebenfalls dreiphasig und addiert eine
Ersatzspannung zu jeder Phase der Primärwicklung. Die Sekundärwicklungen sind
ebenfalls dreiphasige Wicklungen, einschließlich der zweiten Sekundärwicklung,
die die Wechselrichtereinrichtung mit Energie versorgt. Zusätzliche dreiphasige
Sekundärwicklungen,
die alle untereinander und zur zweiten Sekundärwicklung phasenverschoben
sind, können
verwendet werden zur Versorgung der Gleichrichter mit einer höheren Pulsstromzahl
zur Reduzierung der auf die Netzleitung aufgezwungenen Oberschwingungen.
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Die
dreiphasige Primärwicklung
ist im Stern geschaltet. Die Wechselrichterphasen verbinden jede
der Primärwicklungen
mit einem gemeinsamen Sternpunkt. Ein dreiphasiger Wechselrichter
wird bevorzugt, da er die Zahl der Wechselrichterpole reduziert
und durch eine gemeinsame Gleichspannungsanpassungsschaltung versorgt
werden kann.
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Die
Erfindung ist auch auf APLC anwendbar. In diesem Fall ist die Gleichspannungsanpassungsschaltung
ein weiterer Wechselrichter, der an die zweite Sekundärwicklung
des Transformators angeschlossen ist. Bei einer dreiphasigen Wechselstromnetzleitung
ist die Gleichrichterschalteinrichtung ein dreiphasiger Wechselrichter
und die zweite Sekundärwicklung
kann entweder im Stern oder im Dreieck geschaltet sein. Wenn das
Lastende der Wechselstromnetzleitung einen vierten Neutralleiter
besitzt, hat die Gleichrichterschalteinrichtung einen vierten Pol,
der an den Sternpunkt der im Stern geschalteten zweiten Sekundärwicklung
angeschlossen ist.
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Die
Erfindung ermöglicht
die Reiheneinspeisung von Ersatzspannungen in eine Netzleitung unter
Verwendung des Netzstroms mit nur einem Transformator, der in vielen
Einrichtungen bereits als Lasttransformators vorhanden ist. Sie
ermöglicht
auch beim Einsatz nur eines Transformators eine höhere Pulszahl
für die
Gleichspannungsanpassungsschaltung, wodurch der Oberschwingungsanteil
an der Quelle verringert wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nun an bevorzugten Ausführungsformen und Bezug auf
die anliegenden Zeichnungen eingehend beschrieben. Es zeigt:
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1 einen
gezeichneten Schaltplan eines netzbetriebenen, auf der Primärseite angeschlossenen
DVR, welcher gemäß der Erfindung
einen Transformator verwendet;
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2 einen
gezeichneten Schaltplan einer Zwölf-Puls-Version
des netzbetriebenen, auf der Primärseite angeschlossenen DVR
von 1;
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3 einen
gezeichneten Schaltplan eines netzbetriebenen, auf der Primärseite angeschlossenen
APLC mit einem einzelnen Transformator für ein dreiadriges System;
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4 einen
gezeichneten Schaltplan ähnlich 3 für ein vieradriges
System.
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BESCHREIBUNG
BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
die Anwendung der Erfindung auf einen an der Primärseite angeschlossenen
DVR mit einem Netzstromanschluss, der nur einen Transformator benötigt. Die
dreiphasige Wechselstromnetzleitung 1 besitz ein Quellenende 3 mit
drei Quellenaußenleitern 5a-5c und
einem Lastende 7 mit dreiphasigen Leitungsdrähten 9a-9c. Ein
dreiphasiger Transformator 11 verbindet die Quellenaußenleiter 5a-5c mit
den Lastleitungsdrähten 9a-9c.
Der dreiphasige Transformator 11 hat eine dreiphasige Primärwicklung 13 mit
Wicklungen 13a-13c, die im Stern mit den Quellenaußenleitern 5a-5c des Quellenendes 3 geschaltet
sind. Der Transformator 11 besitzt eine erste dreiphasige
Sekundärwicklung 15 mit Wicklungen 15ab, 15ac, 15bc,
die an die Lastleitungsdrähte 9a-9c des
Lastendes 7 angeschlossen sind. Die erste Sekundärwicklung 15 ist
dreieckgeschaltet an das Lastende 7 dargestellt, kann aber ebenso
im Stern geschaltet sein. Die Primärwicklung 13 und die
erste Sekundärwicklung 15 sind
um einen gemeinsamen Kern 17 gewickelt. Ein solcher Lasttransformator
ist üblicherweise
in einer Wechselstromnetzleitung vorhanden, damit zur Übertragungseffizienz
Hochspannung verwendet werden kann, die dann zur Verteilung zu den
Lasten auf eine niedrigere Spannung transformiert wird.
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Ein
DVR 19 wird eingesetzt zur Bereitstellung einer Ersatzspannung
bei Spannungseinbrüchen
in einer Wechselstromnetzleitung 1. Der DVR 19 enthält eine
Wechselrichteranordnung 21, die in dieser Ausführungsform
ein einzelner dreiphasiger Wechselrichter ist. Der dreiphasige Wechselrichter 21 enthält Paare
von Schaltgeräten 23a1 , 23a2 -23c1 , 23c2 ,
die die positiven und negativen Schienen 25, 27 eines
gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreises 29 verbinden.
Für Leistungsanwendungen
können
die Schalter 23 ein Bipolartransistor mit isolierter Gateelektrode
(engl. insulated gate bipolar transistor, IGBT) oder abschaltbare
Geräte
(gate turn off, GTO) sein. Im dreiphasigen Wechselrichter 21 bildet
jedes Paar von Schaltgeräten
einen Pol mit einem Wechselstromanschluss 31a-31c,
der mit dem gemeinsamen Ende einer entsprechenden Primärwicklung 13a-13c des
Transformators verbunden ist. Der Wechselrichter 21 hält eine
leitende Verbindung für die
im Stern geschalteten Primärwicklungen
bereit und die Wechselspannung, die von jedem der Wechselrichterpole
erzeugt wird, ist direkt in Reihe geschaltet mit der entsprechenden
Primärwicklung 13a-13c.
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Die
Filterung wird durch LC-Filter 35 sichergestellt, die die
Wechselstromanschlüsse 31a-31c des
Wechselrichters 21 mit den gemeinsamen Enden der Primärwicklungen 13a-13c des
Transformators verbinden. Jeder dieser LC-Filter 35 enthält eine
in Reihe geschaltete Spule 37a-37c und einen Parallelkondensator 39a-39c,
die an einen gemeinsamen Knoten 41 angeschlossen sind.
Der Filter kann auch dreieckgeschaltet sein. Die Schaltung der Schalter 23 im
Wechselrichter 21 ist so geregelt, dass die Ersatzspannungen,
die zu den Spannungen der Quelle 3 addiert werden, die
Spannungseinbrüche
ausgleichen.
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Die
Gleichstromanpassungsschaltung 29 enthält als Gleichstromglättungsvorrichtung 37 einen großen Kondensator.
Die Energie für
den Wechselrichter 21 wird geliefert über eine Gleichstromanpassungsschaltung 39,
die in der Ausführungsform
von 1 ein dreiphasiger Zweiweggleichrichter 41 ist, der
auch als Sechs-Puls-Gleichrichterbrücke bekannt ist. Diese Sechs-Puls-Gleichrichterbrücke 41 ist
an eine zweite dreiphasige Sekundärwicklung des Transformators 11 über Leiter 45a-45c angeschlossen.
Diese zweite Sekundärwicklung 43 ist
um den gemeinsamen Transformatorkern 17 gewickelt. Obwohl
beide Sekundärwicklungen 15 und 43 dreieckgeschaltet
dargestellt sind, können
auch andere Anordnungen verwendet werden.
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Die
Schaltung in 1 senkt die Kosten eines netzbetriebenen
DVR sehr stark. Durch die direkte Reihenschaltung der Phasen des
dreiphasigen Wechselrichters 21 mit den Primärwicklungen 13a-13c des
Transformators 11 werden keine getrennten Injektionstransformatoren
benötigt.
Außerdem
bedarf es wegen der Verwendung einer weiteren Sekundärwicklung
am Transformator zur Energieversorgung des Wechselrichters 21 keines
Netztransformators, der üblicherweise
die Energie für
den Wechselrichter aus der Wechselstromnetzleitung 1 bezieht.
Da ein Lasttransformator üblicherweise
bereits an die Netzleitung angeschlossen ist, werden für den DVR
keine zusätzlichen
Transformatoren benötigt, wobei
aber zusätzliche
Sekundärwicklungen
zur Verfügung
gestellt werden müssen.
Die Kosten hierfür sind
wesentlich geringer als für
einen zusätzlichen Netztransformator.
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2 zeigt
eine modifizierte Form eines netzbetriebenen, an der Primärseite angeschlossenen
DVR 19',
der eine Anpassungsschaltung 39' mit einer Zwölf-Puls-Gleichrichtervorrichtung besitzt. In dieser
Anordnung treiben zwei Sechs-Puls-Gleichrichterbrücken 411 und 412 die
Gleichstromanpassungsschaltung 29 an. Die erste Sechs-Puls-Gleichrichterbrücke 411 wird über Leiter 451 von
der zweiten dreiphasigen Sekundärwicklung 43 versorgt,
die zweite Sechs-Puls-Gleichrichterbrücke 412 wird über Leiter 452 durch eine zusätzliche dreiphasige Sekundärwicklung 47 mit
Strom versorgt. Die zweite Sekundärwicklung 43 und die
zusätzliche
Sekundärwicklung 47 sind
untereinander phasenverschoben. Dies wird erreicht durch eine Dreieckschaltung
der zweiten Sekundärwicklung 43 und
eine Sternschaltung der zusätzlichen
Sekundärwicklung 47.
Die Zwölf-Puls-Gleichrichtervorrichtung
reduziert die Oberschwingungsströme
im Gleichrichterkreis und damit die höheren Oberschwingungsströme, die
zur Quelle reflektiert werden. Weitere zusätzliche Sekundärwicklungen 47 mit
verschiedenen Relativphasen können
zur Versorgung von zusätzlichen Sechs-Puls-Gleichrichterbrücken (nicht
dargestellt) zum Transformator 11 hinzugefügt werden,
um höhere
Impulszahlen zu erreichen. Dies kann immer noch erreicht werden
mit einem Transformator 11, der nur einen Transformatorkern 17 enthält. Dadurch
werden die Kosten minimal gehalten.
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Die
Erfindung kann auch angewendet werden auf APLC mit einem einzigen
Transformator. Eine solche Anordnung ist in 3 dargestellt,
in der der APLC 49 einen ähnlichen dreiphasigen Gleichrichter 21 verwendet,
um Ersatzspannungen in Reihe mit den Spannungen der Quelle 3 einzuspeisen.
Der Unterschied liegt in der Gleichspannungsanpassungsschaltung 50,
die eine zweite Wechselrichterschaltung 51 besitzt mit
Wechselrichterpolen 53a-53c, die aus Schaltern 55a1 , 55a2 -55c1 , 55c2 bestehen.
Die Wechselstromanschlüsse 57a-57c der Wechselrichterschaltung 51 sind
angeschlossen an die zweite Sekundärwicklung 43 des Transformators 11 über Leiter 59.
Zusätzliche
LC-Filter 61a-61c,
die in Reihe geschaltete Spulen 63a-63c und Parallelkondensatoren 65a-65c umfassen,
sind in den Leitern 59 enthalten. Die Schalter 55a1 -55c2 werden
so geschaltet, dass sie den Austausch der Wirkleistung zwischen
dem APLC und der Leitung 1 auf bekannte Weise regeln und
die Lastoberschwingungen absorbieren.
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4 zeigt
gemäß der Erfindung
einen APLC 49',
welcher eingerichtet ist zur Verwendung mit einer Netzleitung, die
einen Lastnullleiter 9n enthält. In diesem Fall enthält die Wechselrichterschaltung 51' der Gleichstromanpassungsschaltung 50' einen vierten
neutralen Pol 53n mit einem Wechselstromanschluss 57n,
der angeschossen ist an den Sternpunkt der im Stern geschalteten,
dreiphasigen zweiten Sekundärwicklung 43' über einen
Neutralleiter 59n, an den die Glättungskondensatoren 65 angeschlossen
sind.
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Die
Erfindung ermöglicht
die kostengünstige Implementierung
von netzbetriebenen DVR oder APLC, die nur einen dreiphasigen Transformator
benötigen.
Vorteile dieser Schaltkreisanordnung sind: ein dreiphasiger Transformator
sorgt für
die Ableitung des Netzstromes, eine Einspeisungsverbindung und eine
Spannungstransformation (hoch oder runter), falls dies gewünscht wird;
außerdem
hält der
Gleichrichter während
eines Spannungseinbruchs, der weniger als oder bis zur Einspeisungskapazität ausmacht,
die Transformatorspannung konstant, so als wäre der Spannungseinbruch nie
vorgefallen. Es gibt keine extremen Transformatorflussabweichungen, die
dazu neigen den Transformator in den Sättigungsbereich zu bringen.
Wenn schließlich
am Aufstellort ohnehin ein Spannungswandler benötigt wird, ergeben die gemeinsamen
Kosten eines DVR oder APLC und einer Spannungsumwandlung noch geringere
Gesamtkosten.
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Es
wurden hier spezielle Ausführungsformen der
Erfindung detailliert beschrieben. Der Fachmann kann aber der allgemeinen
Offenbarung der Erfindung vielfältige
Abwandlungen und Ausführungsformen
entnehmen. Daher geben die offenbarten Ausgestaltungen nur eine
Anleitung zur Erfindung. Sie sollen den Anwendungsbereich der Erfindung
nicht beschränken.
Dieser ergibt sich im Übrigen
aus den anliegenden Patentansprüchen.