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Die Erfindung betrifft einen Antrieb, aufweisend einen von einem Umrichter speisbaren Elektromotor, insbesondere Drehstrommotor, und Verfahren zum Betreiben eines Antriebs.
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Es ist allgemein bekannt, dass ein Motor direkt vom Wechselstromnetz speisbar ist und dabei eine entsprechende Drehzahl sich einstellt.
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Aus der
DE 10 2008 018 923 A1 ist ein Festdrehzahl-Antrieb bekannt, bei dem ein Drehstrommotor mittels einer Schaltvorrichtung aus dem Drehstromnetz versorgbar ist, wobei die Schaltvorrichtung drei Schalter, also pro Phase jeweils einen Schalter, aufweist.
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Aus der
DE 100 03 692 A1 ist ein elektrisches Schaltgerät bekannt, das als Halbleiter-Sanftstarter ausgeführt ist.
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Aus der
DE 88 06 492 U1 ist eine Einrichtung zum Betrieb einer Schleifringläufermaschine bekannt, die abhängig vom Zustand von Wendeschützen aus dem Drehstromnetz versorgbar ist.
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Es ist weiterhin allgemein bekannt das umrichtergespeiste Motoren drehzahlgeregelt betreibbar sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Energie einzusparen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Antrieb nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 10 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Antrieb sind, dass er einen von einem Umrichter speisbaren Elektromotor, insbesondere Drehstrommotor, aufweist,
wobei der Umrichter eingangsseitig von einem Wechselstromnetz, insbesondere von einem dreiphasigen Wechselstromnetz speisbar ist,
wobei eine Schaltvorrichtung zwischen dem Wechselstromnetz und dem Motor angeordnet ist,
wobei die Schaltvorrichtung steuerbare Wechselstromschalter aufweist, so dass bei Betätigung der Schaltvorrichtung, insbesondere bei Schließen von steuerbaren Wechselstromschaltern der Schaltvorrichtung, der Motor direkt aus dem Wechselstromnetz speisbar ist, insbesondere der Motor direkt aus dem Wechselstromnetz wahlweise mit einer ersten oder zweiten Drehfeldrichtung speisbar ist.
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Von Vorteil ist dabei, dass beim direkten Betrieb geringere Verluste in den steuerbaren Wechselstromschaltern, insbesondere TRIACS, bewirkt werden als in den Schaltern des Wechselrichters. Somit sind Verlustleistungen zu reduziert und es wird bei Betrieb des Antriebs Energie eingespart. Außerdem ist durch die Verwendung der steuerbaren Wechselstromschalter ein schnelles und gegebenenfalls auch häufiges Schalten verschleißfrei ermöglicht, wodurch eine hohe Standzeit erreichbar ist. Außerdem ist eine Drehrichtungswahl bei Netzbetrieb möglich. Somit wird also Energie eingespart, eine hohe Standzeit erreicht und ein flexibler Betrieb, insbesondere von der Schaltvorrichtung steuerbare Drehrichtungswahl, ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist bei Deaktivierung der Schaltvorrichtung, also Öffnen der steuerbaren Wechselstromschalter der Schaltvorrichtung, der Motor vom Umrichter gespeist. Von Vorteil ist dabei, dass ein direktes Speisen in einfacher Weise ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter einen Gleichrichter und einen an dessen gleichspannungsseitigen Anschluss angeschlossenen Wechselrichter auf, insbesondere also der gleichspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters aus dem gleichspannungsseitigen Anschluss des Gleichrichters gespeist wird,
wobei der Gleichrichter mit seinem wechselspannungsseitigen Anschluss mit dem Wechselstromnetz verbunden ist,
wobei der Motor aus dem wechselspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters speisbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass ein Umrichter in einfacher Weise herstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist
die Schaltvorrichtung
- – einen ersten steuerbaren Wechselstromschalter zum Verbinden der ersten Phase des Wechselstromnetzes mit einem ersten Motoranschluss oder Trennen der ersten Phase des Wechselstromnetzes vom ersten Motoranschluss,
- – einen zweiten steuerbaren Wechselstromschalter zum Verbinden der zweiten Phase des Wechselstromnetzes mit einem zweiten Motoranschluss oder Trennen der zweiten Phase des Wechselstromnetzes vom zweiten Motoranschluss und
- – einen dritten steuerbaren Wechselstromschalter zum Verbinden der dritten Phase des Wechselstromnetzes mit einem dritten Motoranschluss oder Trennen der dritten Phase des Wechselstromnetzes mit einem dritten Motoranschluss
auf. Von Vorteil ist dabei, dass ein direktes Speisen mit einer ersten Drehrichtung der Drehspannung für den Motor in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Schaltvorrichtung
- – einen vierten steuerbaren Wechselstromschalter zum Verbinden der zweiten Phase des Wechselstromnetzes mit dem dritten Motoranschluss oder Trennen der zweiten Phase des Wechselstromnetzes vom dritten Motoranschluss,
- – einen fünften steuerbaren Wechselstromschalter zum Verbinden der dritten Phase des Wechselstromnetzes mit dem zweiten Motoranschluss oder Trennen der dritten Phase des Wechselstromnetzes vom zweiten Motoranschluss
auf. Von Vorteil ist dabei, dass ein Umschalten der Drehrichtung beim direkten Speisen aus dem Wechselstromnetz in einfacher Weise ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird zur direkten Speisung des Motors aus dem Wechselstromnetz in einer ersten Drehrichtung der erste, zweite und dritte steuerbare Wechselstromschalter geschlossen, insbesondere und der vierte und fünfte steuerbare Wechselstromschalter geöffnet,
und zur direkten Speisung des Motors aus dem Wechselstromnetz in einer zweiten Drehrichtung, insbesondere also in der anderen Drehrichtung, wird der erste, vierte und fünfte steuerbare Wechselstromschalter geschlossen, insbesondere und der erste und zweite steuerbare Wechselstromschalter geöffnet. Von Vorteil ist dabei, dass das Umschalten der Drehrichtung beim direkten Speisen in einfacher Weise und jederzeit ermöglicht ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung stellt bei der direkten Speisung des Motors aus dem Wechselstromnetz der Wechselrichter an seinem wechselspannungsseitigen Anschluss keine Ausgangsspannung dem Motor zur Verfügung, insbesondere also die steuerbaren Schalter des Wechselrichters geöffnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Verluste verringert sind und der Kühlkörper somit nicht von dem Wechselrichter mit einem Wärmestrom beaufschlagt wird sondern von den steuerbaren Wechselstromschaltern der Schaltvorrichtung.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter eine Signalelektronik, insbesondere Steuerelektronik, auf, welche pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die steuerbaren Schalter des Wechselrichters erzeugt,
wobei die Signalelektronik bei direkter Speisung derartige Ansteuersignale erzeugt, dass die steuerbaren Schalter des Wechselrichters geöffnet sind, wobei aber der Signalelektronik die mit einem oder mehreren Sensoren erfassten Werte des Motorstroms der Signalelektronik zugeführt werden, in welcher daraus die Drehzahl des Motors bestimmt wird und/oder eine Stellgröße, die jedoch nur wirksam wird nach Beendigung der direkten Speisung, insbesondere also bei Umrichter-gespeistem Betrieb des Motors,
insbesondere wobei die von der Signalelektronik bestimmten Werte auf das Überschreiten oder Unterschreiten eines jeweiligen Schwellwertes überwacht werden. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei direktem Speisen des Motors aus dem Wechselstromnetz wird die Signalelektronik, also Steuerelektronik unverändert betrieben, wobei alle Diagnose und Überwachungsfunktionen sowie Sicherheitsfunktionen unverändert beibehalten und ausgeführt werden mit dem einzigen Unterschied, dass keine pulsweitenmodulierten Ansteuersignale für die Schalter des Wechselrichters erzeugt werden, da diese Schalter bei dieser Betriebsart geöffnet bleiben müssen. Die in der Signalelektronik angeordneten Regler bestimmen somit einen Stellgrößenwert, der aber nicht gestellt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Mittel zum Umschalten vom umrichtergespeisten Betrieb auf die direkte Speisung durch das Wechselstromnetz vorgesehen, wobei das Mittel das Umschalten ausführt wenn die Drehzahl des Motors einen Schwellwert überschreitet oder unterschreitet,
insbesondere wobei der Schwellwert der Netzfrequenz entspricht,
insbesondere wobei das Mittel beim Umschalten und Vergleichen mit dem Schwellwert eine Hysterese berücksichtigt. Von Vorteil ist dabei, dass das Mittel in der Signalelektronik vorsehbar ist. Somit ist der von der Signalelektronik bestimmte Istwert an Drehzahl des Motors von der Signalelektronik überwachbar und das Umschalten abhängig von der Drehzahl bewirkbar.
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Wichtige Merkmale bei dem Verfahren zum Betreiben eines, insbesondere vorgenannten, Antriebs sind, dass der Antrieb einen vom Umrichter oder vom Wechselstromnetz direkt speisbaren Elektromotor aufweist,
wobei
- – die Drehzahl des Motors auf Überschreiten oder Unterschreiten eines Schwellwertes überwacht wird, insbesondere unter Berücksichtigung einer Hysterese, und davon abhängig ein Umschalten zwischen direkten vom Wechselstromnetz gespeisten Betrieb des Motors und Umrichter-gespeistem Betrieb des Motors bewirkt wird.
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Von Vorteil ist dabei, dass ein Umschalten in einfacher Weise bewirkbar ist. Somit ist beim Starten des Motors zunächst der umrichtergespeiste Betrieb anwendbar und nach Erreichen derjenigen Drehzahl, welche der Motor bei direktem Netzbetrieb erreichen würde, umschaltbar auf direkten Netzbetrieb, also direktes Speisen des Motors aus dem Wechselstromnetz. Auf diese Weise ist ein gesteuertes Hochfahren oder Heranfahren der Drehzahl an die Drehzahl des direkten Netzbetriebs ausführbar.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden beim umrichtergespeisten Betrieb die Schalter des Wechselrichters derart angesteuert, dass der Motor von einer vom Wechselrichter erzeugten Drehspannung versorgt ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Betrieb mit nur geringen Verlusten ausführbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden beim vom Wechselstromnetz direkt gespeisten Betrieb des Motors die Schalter des Wechselrichters derart angesteuert, dass sie geöffnet sind. Von Vorteil ist dabei, dass die Drehzahl des Motors in einfacher Weise steuerbar sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung werden von der Signalelektronik des Umrichters auch bei direkt vom Wechselstromnetz gespeistem Betrieb des Motors die Drehzahl des Motors überwacht wird und weitere Sicherheits-, Diagnose- und Überwachungsfunktionen ausgeführt. Von Vorteil ist dabei, dass die Sicherheits-, Diagnose- und Überwachungsfunktionen weiterhin ausgeführt werden, obwohl ein direkter Betrieb des Motors ausgeführt wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Umrichter einen gemeinsamen Kühlkörper für den Umrichter und die die direkte Speisung steuernde Schaltvorrichtung auf. Von Vorteil ist dabei, dass der Kühlkörper nicht gleichzeitig mit einem Wärmestrom der Schalter des Wechselrichters und mit einem Wärmestrom der steuerbaren Schalter der Schaltvorrichtung sondern nur alternativ.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.
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Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert: In der 1 ist der schematische elektrische Schaltplan eines Antriebs gezeigt, welcher einen Elektromotor umfasst, der von einem Umrichter speisbar ist oder alternativ direkt am Drehstromnetz betreibbar ist.
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Wie in der Figur gezeigt, ist der Elektromotor M als Drehstrommotors ausgeführt. Hierbei weist der Stator des Elektromotors M drei Wicklungsstränge auf, welche in Sternschaltung geschaltet sind. Alternativ hierzu ist aber auch eine Dreieckschaltung dieser Wicklungsstränge ausführbar.
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Eingangsseitig ist ein Sinusfilter F am Motor M angeordnet, das aus einem Umrichter oder alternativ direkt aus dem Drehstromnetz versorgbar ist.
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Der Umrichter weist einen Gleichrichter mit in jeweiligen Halbbrücken angeordneten Dioden (D1, D2, D3, D4, D5, D6) auf. Somit ist der Gleichrichter als Drehstromgleichrichter ausgeführt. Der Gleichrichter ist eingangsseitig, also wechselspannungsseitig, aus dem Drehstromnetz versorgt, also mit den Phasen (L1, L2, L3) des Drehstromnetzes verbunden. Gleichspannungsseitig ist eine als Pufferkondensator und/oder Glättungskondensator wirksamer Kapazität angeordnet. Aus dieser Gleichspannung ist ein Wechselrichter versorgbar, der in jeweiligen Halbbrücken angeordnete steuerbare Leistungsschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) aufweist und seinen ausgangsseitigen dreiphasigen Wechselstrom über das Filter F dem Motor M zuführt.
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Eine in der 1 nicht dargestellte Steuerelektronik erzeugt pulsweitenmodulierte Ansteuersignale, welche den steuerbaren Leistungsschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6) zugeführt werden, so dass der Wechselrichter ausgangsseitig eine im Wesentlichen sinusförmige Drehspannung einer jeweils aktuell vorgegebenen Frequenz dem Motor bereit stellt.
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Die steuerbaren Leistungsschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) sind somit als Gleichstromschalter ausgeführt, da die von Ihnen gebildeten Halbbrücken von der an der Kapazität C anliegenden Gleichspannung versorgt sind. Jedem der steuerbaren Leistungsschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) ist eine Freilaufdiode parallel zugeschaltet.
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Falls die an der Kapazität C anliegende Gleichspannung einen Schwellwert überschreitet, wird der Schalter T7 geschlossen, welcher in Reihe geschaltet ist mit dem Bremswiderstand R, wobei diese Reihenschaltung der Kapazität C parallel geschaltet ist. Somit sind Überspannungen verhinderbar.
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Mittels des Umrichters ist ein Starten des Motors M in einfacher Weise ermöglicht. Dabei wird die ausgangsseitig vorgegebene Frequenz von der Startfrequenz, also beispielsweise Null oder einer zur schon bestehenden Drehzahl des Motors gehörigen Frequenz, erhöht, bis die Netzfrequenz erreicht wird.
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Sobald der Differenzbetrag zwischen vorgegebener Frequenz und Netzfrequenz einen Schwellwert unterschreitet, wird eine direkte Verbindung vom Motor M über das Filter F zum Netz aktiviert, indem die steuerbaren Wechselstromschalter (TR1, TR2, TR3, TR4, TR5) entsprechend angesteuert werden.
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Die steuerbaren Wechselstromschalter (TR1, TR2, TR3, TR4, TR5) sind vorzugsweise jeweils als TRIAC ausgeführt.
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Jeder Phase (L1, L2, L3) des Drehstromversorgungsnetzes ist zumindest ein steuerbarer Wechselstromschalter (TR3, TR4, TR5) zugeordnet, so dass jede Phase mit einem Motoranschluss elektrisch verbindbar oder trennbar ist. Eine erste Phase L1 ist dabei über den steuerbaren Wechselstromschaltern TR3 mit einem ersten Motoranschluss verbindbar. Um das Drehfeld in beiden Drehrichtungen gut durchleitbar zu machen, ist eine zweite Phase L2 mittels eines weiteren steuerbaren Wechselstromschalters TR1 mit einem weiteren Motoranschluss verbindbar und die dritte Phase L3 mittels eines anderen steuerbaren Wechselstromschalters TR2 mit dem zweiten Motoranschluss verbindbar. Somit ist durch entsprechendes Ansteuern der steuerbaren Wechselstromschalter, also Schließen der Schalter TR3, TR4, TR5 und Öffnen der Schalter TR1, TR2, eine erste Drehrichtung und durch das Schließen der Schalter TR3, TR1, TR2 die andere Drehrichtung bewirkbar, wobei die Schalter TR4, TR5 geöffnet werden.
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Die steuerbaren Wechselstromschalter (TR1, TR2, TR3, TR4, TR5) sind als Leistungshalbleiterschalter ausgeführt und wärmeleitend mit einem Kühlkörper verbunden, mit welchem auch die steuerbaren Leistungsschaltern (T1, T2, T3, T4, T5, T6) wärmeleitend verbunden sind. Dies ist besonders effektiv, da der Wechselrichter des Umrichters, also die steuerbaren Leistungsschalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6), nur alternativ zu den steuerbaren Wechselstromschaltern (TR1, TR2, TR3, TR4, TR5) betrieben werden. Somit werden dem Kühlkörper nicht die beiden diesen Schaltern zugeordneten Wärmeströme gleichzeitig sondern nur abwechselnd zugeführt.
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Der Kühlkörper selbst ist entweder durch einen konvektiv angetriebenen Luftstrom gekühlt, also passiv, oder durch einen von einem Lüfter angetriebenen Luftstrom. Also aktiv. Weiter alternativ oder zusätzlich ist auch eine Flüssigkeitskühlung des Kühlkörpers ausführbar, beispielsweise mit Wasser oder Öl.
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Die Signalelektronik des Umrichters wird auch dann betrieben, wenn mittels der steuerbaren Wechselstromschalter das Drehstromnetz direkt mit dem Motor verbunden wird, also kein Drehspannungsnetz vom Wechselrichter erzeugt wird zur Speisung des Motors M.
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Auch bei nicht angesteuertem Wechselrichter werden die mit einem oder mehreren Stromsensoren erfassten Motorstromwerte der Steuerelektronik zugeführt, in welcher ein Mittel zur Bestimmung von Zustandswerten des Motors vorgesehen ist. Insbesondere wird die Drehzahl der Rotorwelle des Motors bestimmt und überwacht auf Überschreiten oder Unterschreiten eines Schwellwertes. Davon abhängig werden von der Steuerelektronik Aktionen angesteuert. Beispielsweise wird eine Bremse aktiviert oder die direkte Netzversorgung wird unterbrochen und der Wechselrichter zur Speisung des Motors M aktiviert.
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Außerdem werden in der Steuerelektronik auch bei ausgeschaltetem Wechselrichter nicht nur Überwachungen sondern auch Diagnose-relevante, Statistik-relevante und sicherheitsbezogene Verfahren ausgeführt. Die Steuerelektronik arbeitet also unverändert weiter, auch wenn der Wechselrichter keine Ansteuersignale von ihm erhält beziehungsweise die Ansteuersignale des Wechselrichters ein Öffnen aller steuerbaren Schalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6) des Wechselrichters bewirken.
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Insbesondere arbeitet in der Steuerelektronik auch bei ausgeschaltetem Wechselrichter eine Drehfeldregelung, wobei allerdings die vom Regler bestimmte Stellgröße, wie Spannung, nur bestimmt wird, nicht aber wirklich gestellt wird, also den Motor nicht beeinflusst. Sobald jedoch die direkte Versorgung aus dem Netz gesperrt wird, also die steuerbaren Wechselstromschalter (TR1, TR2, TR3, TR4, TR5) alle geöffnet werden, wird der Wechselrichter aktiviert und die bestimmte Stellgröße wirksam.
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Der Wechselrichter weist drei Halbbrücken auf. Am Knotenpunkt der ersten Halbbrücke sind der Schalter T1 und der Schalter T4 verbunden, am Knotenpunkt der zweiten Halbbrücke sind der Schalter T2 und der Schalter T5 verbunden, am Knotenpunkt der dritten Halbbrücke sind der Schalter T3 und der Schalter T6 verbunden. Die Statorwicklungen des Motors sind elektrisch direkt mit dem jeweiligen Knotenpunkt einer jeweiligen Halbbrücke verbunden, also ohne zwischengeordneten Trennschalter oder dergleichen.
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Die Verlustwärme der Schalter (T1, T2, T3, T4, T5, T6, T7) wird über denselben Kühlkörper an die Umgebung geführt wie auch die Wärme der steuerbaren Schalter (TR1, TR2, TR3, TR4, TR5), insbesondere also TRIACs.
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Bezugszeichenliste
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- R
- Widerstand, insbesondere Bremswiderstand
- T1
- steuerbarer Schalter, insbesondere IGBT oder MOSFET
- T2
- steuerbarer Schalter, insbesondere IGBT oder MOSFET
- T3
- steuerbarer Schalter, insbesondere IGBT oder MOSFET
- T4
- steuerbarer Schalter, insbesondere IGBT oder MOSFET
- T5
- steuerbarer Schalter, insbesondere IGBT oder MOSFET
- T6
- steuerbarer Schalter, insbesondere IGBT oder MOSFET
- T7
- steuerbarer Schalter, insbesondere IGBT oder MOSFET
- TR1
- steuerbarer Wechselstromschalter, insbesondere TRIAC
- TR2
- steuerbarer Wechselstromschalter, insbesondere TRIAC
- TR3
- steuerbarer Wechselstromschalter, insbesondere TRIAC
- TR4
- steuerbarer Wechselstromschalter, insbesondere TRIAC
- TR5
- steuerbarer Wechselstromschalter, insbesondere TRIAC
- D1
- Diode
- D2
- Diode
- D3
- Diode
- D4
- Diode
- D5
- Diode
- D6
- Diode
- C
- Zwischenkreiskondensator
- L1
- erste Phase des Drehstromversorgungsnetzes
- L2
- zweite Phase des Drehstromversorgungsnetzes
- L3
- dritte Phase des Drehstromversorgungsnetzes
- F
- Filter, insbesondere Sinusfilter
- M
- Statorwicklungen des Drehstrommotors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008018923 A1 [0003]
- DE 10003692 A1 [0004]
- DE 8806492 U1 [0005]