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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Oberschwingungskompensation
für nichtlineare Verbraucher, insbesondere Gleichrichter
oder Wechselrichter, an wenigstens zweiphasigen, insbesondere dreiphasigen
Versorgungsnetzen mit sinusförmiger Netzspannung.
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Nichtlineare
Verbraucher beziehen aus einem Versorgungsnetz mit sinusförmigen
Versorgungsspannungen bzw. -strömen nicht-sinusförmige
Verbraucherspannungen bzw. -ströme. Diese Abweichungen
des Stromes von der Sinusform führen in Versorgungsnetzen
zu Verzerrungen der Netzspannung. Die Verzerrungen der Netzspannung
verursachen zusätzliche Verluste und Funktionsstörungen
bei anderen Verbrauchern, die an diesem Versorgungsnetz betrieben
werden. Einen hohen Anteil an nichtlinearen Verbrauchern in den Versorgungsnetzen
stellen dreiphasige Gleichrichter- und Wechselrichterschaltungen
dar.
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Die
durch die Oberschwingungen der Verbraucherspannung bzw. des Verbraucherstroms
verursachten Auswirkungen auf das speisende Netz werden als Netzrückwirkungen
bezeichnet. Typische Netzrückwirkungen sind: Erhöhung
der Verlustleistung im Versorgungsnetz und bei anderen Verbrauchern;
Spannungsabfälle und Kommutierungseinbrüche; Verformung
der Netzspannung; Resonanzerscheinungen im Netz; Störungen
bei benachbarten Baugruppen und Verbrauchern, gegebenenfalls durch
die vorgenannten Resonanzerscheinungen.
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Zu
den nichtlinearen Verbrauchern zählen z. B. Drosseln, Transformatoren
und leistungselektronische Baugruppen, wie Gleichrichter, Wechselrichter,
Drehstromsteller usw. Der vermehrte Einsatz und die immer größeren
Leistungen von leistungselektronischen Baugruppen haben dazu geführt,
dass Normen erarbeitet wurden und in Vorbereitung sind, die die
zulässigen Stromoberschwingungen in Bezug auf bestimmte
Versorgungsnetze spezifizieren, mit dem Ziel, die Netzrückwirkungen
zu begrenzen.
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Eine
Schaltungsanordnung zur Oberschwingungskompensation für
nichtlineare Verbraucher ist beispielsweise aus der
EP 1 248 344 A2 bekannt.
Dort ist vorgesehen, dass jede Phase mit nur einem der Enden einer
ersten Induktivität verbunden ist, wobei jede erste Induktivität
mit ihrem von der jeweiligen Phase abgewandten Ende wiederum mit
einer ersten Kapazität verbunden ist und wobei alle ersten
Kapazitäten an ihren jeweiligen von den ersten Induktivitäten
abgewandten Enden miteinander verbunden sind. Die ersten Induktivitäten
weisen jeweils in Reihe geschaltete Drosselspulen auf, und zwischen
den beiden Drosselspulen jeder Phase ist jeweils eine zweite Kapazität
angeschlossen, wobei die jeweiligen von den Drosselspulen abgewandten
Enden der zweiten Kapazitäten miteinander verbunden sind.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
zur Oberschwingungskompensation für mehrphasige Versorgungsnetze
mit sinusförmiger Netzspannung anzugeben, die in Bezug
auf ihre elektrischen Eigenschaften sowie ihre Filter- und Kompensationswirkung
der bekannten Schaltungsanordnung mindestens gleichwertig ist und/oder
sich mit geringeren Kosten ausführen lässt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine in Anspruch
1 angegebene Schaltungsanordnung vollständig gelöst.
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Erfindungsgemäß ist
jede Phase des wenigstens zweiphasigen Versorgungsnetzes mit einem
separaten Filterzweig verbunden, wobei jeder Filterzweig eine Parallelschaltung
aus einer ersten Induktivität und einer ersten Kapazität
aufweist, wobei in jedem Filterzweig in Serie zu der ersten Kapazität
oder zu der Parallelschaltung eine zweite Induktivität
geschaltet ist, und wobei die Filterzweige an ihrem jeweiligen,
von der jeweiligen Phase abgewandten Ende jeweils mindestens eine
zweite Kapazität aufweisen.
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Grundsätzlich
gibt es eine unbegrenzte Vielzahl von Schaltungsvariationen der
bekannten Schaltungsanordnung, die sich grundsätzlich zur
Oberschwingungskompensation für nichtlineare Verbraucher
an wenigstens zweiphasigen Versorgungsnetzen mit sinusförmiger
Netzspannung eignen. Es wurde jedoch festgestellt, dass eine Vielzahl
von Schaltungsvariationen nicht die gewünschten Effekte
zeigen, also entweder nicht die gewünschte Filter- und
Kompensationswirkung und/oder nicht die gewünschte Kosteneinsparung. Erst
die erfindungsgemäße vorgeschlagene Schaltungsvariation,
insbesondere der Einsatz einer Parallelschaltung aus einer ersten
Induktivität und einer ersten Kapazität in jedem
Filterzweig hat dazu geführt, dass die gleichen Filter-
und Kompensationseigenschaften erzielt werden konnten wie mit der
bekannten Schaltungsanordnung. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung kann aber, verglichen mit der bekannten Schaltungsanordnung,
mit Kapazitäten ausgeführt werden, die deutlich
niedrigere Kapazitätswerte aufweisen, da eine deutlich
niedrigere Kondensatorenergie benötigt wird.
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Mit
den erfindungsgemäß vorgesehenen Filterzweigen
kann exakt derselbe Impedanzfrequenzgang wie mit den in der genannten
EP 1 248 344 A2 beschriebenen
Filterzweigen erzielt werden, jedoch mit anderen Bauteilwerten.
Der Impedanzfrequenzgang resultiert aus der komplexen Impedanz,
die mit der komplexen Wechselstromrechnung bestimmt werden kann.
Die Pol- und Nullstellen liegen bei allen Schaltungsanordnungen
an derselben Stelle. Diese werden mit der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung mit reduzierten Bauteilenergien aufgrund der
teilweise niedrigeren Bauteilwerte oder Bauteilspannungen- und Ströme
erzielt.
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Insgesamt
lässt sich somit die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung mit geringeren Kosten realisieren bei gleicher
Filterwirkung. Andererseits lassen sich – bei gleichen
Kosten wie bei der bekannten Schaltungsanordnung – die
Filter- und Kompensationseigenschaften sogar verbessern.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeder Filterzweig
eine in Serie zu der Parallelschaltung geschaltete zweite Kapazität
aufweist, deren von der jeweiligen Parallelschaltung abgewandten Enden
miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung sind also die
zweiten Kapazitäten entweder in Stern- oder in Dreieckschaltung
miteinander verbunden. Diese Ausgestaltung führt dazu,
dass sehr viel günstigere Kapazitäten als bei
der bekannten Schaltungsanordnung eingesetzt werden können.
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Alternativ
ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass jeweils eine
zweite Kapazität zwischen den von der jeweiligen Phase
abgewandten Enden zweier Filterzweige geschaltet ist. Bei dieser
alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeder Filterzweig
eine in Serie zu der Parallelschaltung geschaltete zweite Kapazität
aufweist, deren von der jeweiligen Parallelschaltung abgewandten
Enden miteinander verbunden sind. Auch bei dieser Ausgestaltung
können günstigere Kapazitäten als bei
der bekannten Schaltungsanordnung eingesetzt werden.
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Bevorzugt
ist weiter vorgesehen, dass in jeder Phase eine Drosselspule vor
dem Verbraucher eingeschleift ist, wobei die Filterzweige jeweils
zwischen der Drosselspule und dem Verbraucher mit der jeweiligen Phase
verbunden sind. Die Drosselspule dient zur Erhöhung der
Netzimpedanz, so dass Oberschwingungen noch eher durch den Filterzweig
anstatt durch das Netz gehen.
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Es
sei an dieser Stelle angemerkt, das es nicht unbedingt die Kapazitätswerte,
die bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
kleiner sind als bei der bekannten Schaltungsanordnung, sondern
teilweise sind die Spannungen bei sehr großen Kapazitätswerten
kleiner. Insgesamt führt dies jedoch trotz ggf. größerer Kapazitätswerte
durch die erfindungsgemäß extrem niedrigen Spannungen
zu viel kleineren und damit kostengünstigeren Kapazitäten.
Insgesamt ist nämlich die Energie niedriger als bei der
bekannten Schaltungsanordnung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
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2 ein
einphasiges Ersatzschaltbild der in 1 gezeigten
Ausführungsform,
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3 den
Frequenzgang der in 1 gezeigten Ausführungsform
im Vergleich zu dem Frequenzgang bei einer bekannten Schaltungsanordnung,
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4 Diagramme der aufgenommenen Energie
bei der bekannten Schaltungsanordnung und bei Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,
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5 eine
zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
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6 eine
dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
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7 eine
vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung,
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8 ein
einphasiges Ersatzschaltbild der in 5 bis 7 gezeigten
Ausführungsformen und
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9 den
Frequenzgang der in 5 bis 7 gezeigten
Ausführungsformen im Vergleich zu dem Frequenzgang bei
einer bekannten Schaltungsanordnung.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung 10, die zur Oberschwingungskompensation
zwischen einen nichtlinearen Verbraucher 12 und ein Versorgungsnetz 18 geschaltet
ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Versorgungsnetz 18 dreiphasig
mit drei Phasen 20, 22, 24 ausgeführt.
Die Erfindung lässt sich aber auch bei Versorgungsnetzen
mit einer anderen Anzahl von Phasen einsetzen. Der Verbraucher 12 weist
in dem gezeigten Beispiel einen Gleichrichter 14 und eine
Last 16 auf. Ein solcher nichtlinearer Verbraucher kann
beispielsweise ein Transformator, leistungselektronische Baugruppen
wie Drehstromsteller oder dergleichen sein.
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Derartige
nichtlineare Verbraucher 12 beziehen aus dem Versorgungsnetz 18 nicht-sinusförmige
Verbraucherspannungen bzw. -ströme, was in dem Versorgungsnetz 18 grundsätzlich
zu Verzerrungen der Netzspannung führt. Derartige Verzerrungen
verursachen Verluste und Funktionsstörungen bei anderen
Verbrauchern, die mit demselben Versorgungsnetz 18 betrieben
werden. Um derartige Netzrückwirkungen zu verringern, werden
Schaltungsanordnungen zur Oberschwingungskompensation eingesetzt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind besonders kostengünstige
und/oder leistungsfähige Schaltungsanordnungen zur Oberschwingungskompensation.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung 10 ist
zunächst in jeder der drei Phasen 20, 22, 24 eine
Drosselspule 26 eingeschleift. An hinter den Drosselspulen 26 liegenden
Anschlusspunkten 28 ist an jeder der drei Phasen 20, 22, 24 jeweils
ein Filterzweig 30 angeschlossen, der in dem gezeigten
Ausführungsbeispiel eine Parallelschaltung aus einer ersten
Induktivität 32 und einer Serienschaltung aus
einer ersten Kapazität 34 und einer zweiten Induktivität 36 aufweist.
Die von den Anschlusspunkten 28 abgewandten Enden 38 der
Filterzweige 30 sind über zweite Kapazitäten 40 miteinander
verbunden, die in Dreiecksschaltung miteinander verkoppelt sind,
alternativ aber auch in Sternschaltung miteinander verkoppelt sein
können.
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Aus
dem Versorgungsnetz fließt der Netzstrom I0 und
an den Verbraucher 12 fließt der Verbraucherstrom
IV. Die Schaltungsanordnung 10 bewirkt,
dass den oberschwingungsbehafteten Strömen IV des
nichtlinearen Verbrauchers 12 je Phase ein Kompensationsstrom
I1 addiert und subtrahiert wird. Dies führt
dazu, dass die dem Versorgungsnetz 18 entnommenen Ströme
IV nur noch einen geringen Oberschwingungsanteil aufweisen.
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Die
Filterzweige bilden somit eine komplexe Impedanz für die
Oberschwingungen, die so formbar ist, dass die Pol- und Nullstellen
der komplexen Impedanz für eine optimale Filterung der
fünften, siebten, elften, dreizehnten und höheren
Oberschwingungen sorgt.
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Ein
einphasiges Ersatzschaltbild der in
1 gezeigten
Ausführungsform der Schaltungsanordnung
10 ist
in
2 gezeigt.
3 zeigt
den Frequenzgang F1 der in
1 gezeigten
Ausführungsform der Schaltungsanordnung
10 verglichen
mit dem Frequenzgang F0 der aus der
EP 1 248 344 A2 bekannten Schaltungsanordnung.
Wie daraus erkennbar ist, ergeben sich kaum Abweichungen in den
Frequenzgängen.
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Weitere
Simulationen und Messungen mit der in 1 gezeigten
Ausführungsform sowie der bekannten Schaltungsanordnung
haben auch hinsichtlich des Zwischen kreisspannungsabfalls im Gleichrichter,
einzelner Oberschwingungen im Netzstrom, des THD (Total Harmonic
Distortion) des Netzstroms (der ein Bewertungskriterium für
die Abweichungen einer verzerrten Stromform von der Sinusform darstellt
und somit ein Gesamt-Oberschwingungsverhältnis beschreibt)
und der aufgenommenen Scheinleistung keinerlei signifikante Abweichungen
ergeben.
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Wesentliche
Unterschiede haben sich jedoch bei der aufgenommenen Bauteilenergie
gezeigt.
4A zeigt in einem Diagramm die
Verlaufskurve CE0 der Kondensatorenergie und die Verlaufskurve IE0
der induktiven Energie bei der aus der
EP 1 248 344 A2 bekannten
Schaltungsanordnung,
4B zeigt die entsprechenden
Verlaufskurven CE1 und IE1 bei der in
1 gezeigten
Schaltungsanordnung. Die Bauteilenergien wurden dabei entsprechend
W = 1/2 × L × I
2 bzw.
W = 1/2 × C × U
2 bestimmt.
Während sich bei den Verlaufskurven IE0, IE1 der aufgenommenen
induktiven Energien kaum Unterschiede zeigen, zeigt sich ein deutlicher Unterschied
der Verlaufskurven CE0, CE1. Bei der erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung ist also die von den Kapazitäten aufgenommene
Energie deutlich geringer.
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Insgesamt
bedeutet dies, dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften und ihrer Filterwirkung
identisch ist mit der bekannten Schaltungsanordnung. Die erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung kann jedoch mit deutlich günstigeren
Kondensatoren ausgeführt werden, da die Spannungs- und
Kapazitätswerte deutlich reduziert werden können
verglichen mit den entsprechenden Werten bei der bekannten Schaltungsanordnung.
Alternativ ist es möglich, bei etwa gleicher Bauteildimensionierung
eine bessere Filter- und Kompensationswirkung bei gleichen Kosten
zu erzielen.
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5 zeigt
eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung 10. In den Filterzweigen 30 umfasst
bei der vorliegenden Ausführungsform die Parallelschaltung
nur die erste Induktivität 32 parallel zu der
ersten Kapazität 34. Zwischen dieser Parallelschaltung
und dem jeweiligen Anschlusspunkt 28 an die drei Phasen 20, 22, 24 ist
zudem eine Serienschaltung aus der zweiten Induktivität 36 und der
zweiten Kapazität 40 geschaltet. Die von dieser
Serienschaltung abgewandten Anschlusspunkte 38 sind bei
dieser Ausführungsform direkt miteinander verbunden.
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6 zeigt
eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung, die der in 5 gezeigten
zweiten Ausführungsform sehr ähnlich ist. Auch
bei dieser Ausführungsform weist die Parallelschaltung
in den jeweiligen Filterzweigen 30 nur jeweils die erste
Induktivität 32 parallel zu der ersten Kapazität 34 auf.
An dem von den Anschlusspunkten 28 abgewandten Enden der
Parallelschaltungen ist dann jeweils die zweite Induktivität 36 geschaltet.
Die von der Parallelschaltung abgewandten Enden 38 sind,
wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform, über
die zweiten Kapazitäten 40 miteinander gekoppelt,
wobei die zweiten Kapazitäten 40 hier wieder in
Dreiecksschaltung miteinander verschaltet sind.
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In
weiteren Abwandlungen der in den 5 und 6 gezeigten
Ausführungsformen sind die Kapazitäten 40 (anders
als in 6) in Sternschaltung ausgeführt. Darüber
hinaus können, anders als bei der in 5 gezeigten
Ausführungsform, bei der die Kapazitäten 34 in
Sternschaltung verkoppelt sind, in Dreieckschaltung ausgeführt
werden, wie in 7 gezeigt ist.
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Ein
einphasiges Ersatzschaltbild der in den 5 bis 7 gezeigten
Ausführungsformen ist in 8 gezeigt. 9 zeigt
den Frequenzgang F2 der in den 5 und 6 gezeigten
Schaltungsanordnung im Vergleich zu dem Frequenzgang F0 der bekannten
Schaltungsanordnung. Diagramme der aufgenommenen Kondensatorenergie
CE2 und der aufgenommenen induktiven Energie IE2 für die
in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsformen
sind in 4C gezeigt. Auch hier lässt
sich erkennen, dass die aufgenommene Kondensatorenergie bei den
erfindungsgemäßen Ausführungsformen deutlich
geringer ist als bei der bekannten Schaltungsanordnung. Es ergibt
sich sogar nochmals eine Verringerung gegenüber der in 1 gezeigten Ausführungsform
bei ggf. leicht vergrößerten Induktivitäten.
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Insgesamt
lässt sich auch mit den in den 5 bis 7 gezeigten
Ausführungsformen die gleiche Filter- und Kompensationswirkung
erreichen wie mit der bekannten Schaltungsanordnung. Die erfindungsgemäßen
Ausführungsformen lassen sich jedoch deutlich kostengünstiger
realisieren, bzw. bei gleicher Dimensionierung lässt sich
eine Verbesserung der Filter- und Kompensationswirkung erreichen.
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Da,
wie sich 4C entnehmen lässt,
die kapazitive Energie durch die extrem niedrige Spannung an den
Kondensatoren in etwa halbieren lässt (bei geringfügiger
erhöhter induktiver Energie) ist es erfindungsgemäß sogar
möglich, günstige SMD-Kapazitäten zu
nutzen, wodurch der Preis für die Realisierung der Schaltungsanordnung
nochmals weiter gesenkt werden kann.
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Nur
beispielhaft und die Erfindung nicht einschränkend sollen
die nachfolgenden Dimensionierungsangaben für die gezeigten
Ausführungsbeispiele verstanden werden. In der Tabelle
sind neben den Bereichsangaben für die Induktivitäts-
bzw.
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Kapazitätswerte
der Induktivitäten bzw. Kapazitäten auch die Strom-
bzw. Spannungsbereiche angegeben.
| | Fig.
1 | Fig.
5 | Fig.
6 |
| Drosselspule 26 | 2–4
mH (30–40 A) | 2–4
mH (30–40 A) | 2–4
mH (30–40 A) |
| 1.
Induktivität 32 | 2–5
mH (10–20 A) | 200–400 μH
(10–20 A) | 200–400 μH
(10–20 A) |
| 1.
Kapazität 34 | 3–6 μF
(90–130 V) | 200–400 μF
(10–20 V) | 200–400 μF
(10–20 V) |
| 2.
Induktivität 36 | 10–30
mH (0,5–2 A) | 2–4
mH (10–30 A) | 2–4
mH (10–30 A) |
| 2.
Kapazität 40 | 30–50 μF
(350–500 V) | 100–200 μF
(200–300 V) | 30–60 μF
(350–500 V) |
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Wie
sich der Tabelle entnehmen lässt, sind insbesondere die
Spannungswerte deutlich niedriger als bei der bekannten Schaltungsanordnung,
was dazu führt, dass deutlich günstigere Kondensatoren
verwendet werden können, da ja die Spannung über
einem Kondensator über seine Größe quadratisch
im Vergleich zur Kapazität, die linear in die entsprechende
Berechnungsformel eingeht, entscheidet.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele
beschränkt ist. Diverse Variationen sind denkbar, und es
können der Schaltungsanordnung auch weitere Elemente hinzugefügt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1248344
A2 [0005, 0010, 0031, 0033]