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Verfahren zum Antakten eines Wechselrichters mit Phasenfolge-
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löschung.
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De Erfindung betrifft ein Verfahren zum Antakten eines drei- oder
mehrphasigen Wechselrichters in Brücken- oder Mittelpunktschaltung mit Phasenfolgelöschung,
der einen mittels einer Einspeiseschaltung in Form eines Gleichstromstellers bzw.
gesteuerten Gleichrichters und einer Zwischenkreisdrossel erzeugten eingeprägten
Gleichstrom einem elektrischen Verbraucher in der Weise zuführt, daß dort ein drei-
oder mehrphasiges Wechselstromsystem gebildet wird.
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Ein derartiger Wechselrichter ist aus der Zeitschrift "Proceedings
IEE", Vol 111, Nr. 8, Aug. 1964, Seite 1423 bis 1434, insbesondere Fig. 12 oder
aus "ETZ-A" , Bd. 96, 1975, Heft 11, Seite 520 bis 523 bekannt. Das Verhalten derartiger
Wechselrichterschaltungen mat Phasenfolgelöschung wird in diesen Literaturstellen
ausführlich erläutert.
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Der zur Speisung des Wech.'eirichters erforderliche eingeprägte Gleichstrom
wird von einer Einspeisung über eine Zwischenkreisdrossel geliefert. Di Einsreisung
kann entweder als netzgeführter Stromrichter, wenndie Speisung aus einem Wechsel-
oder Drehstromnetz erfolgt, oder als Gleichstromsteller, wenn die Speisung aus einem
Gleichspannungsnetz erfolgt, ausgebildet sein. Beim Betrieb einer solchen Stromrichterschaltung
werden die Ventile, d.h. die Thyristoren des selbstgeführten Wechselrichters, mit
nahezu rechteckförmigen Stromblöcken belastet, deren Länge einem Drittel der Periodendauer
der Ausgangsfrequenz entspricht.
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Das Löschen der gerade stromführenden Ventile erfolgt beim Zünden
des jeweiligen Folgeventils in der gleichen Kommutierungsgruppe. Dieser Vorgang
wird als Phasenfolgelöschung bezeichnet. Die für die Löschung erforderliche Kommutierungsenergie
wird von in der jeweiligen Kommutierungsgruppe zwischen den Phasen angeordneten
Kommutierungskondensatoren bereitgestellt. Die Kommutierungskondensatoren laden
sich während des stationären Betriebs ohne zusätzliche Maßnahmen auf.
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Beim Einschalten des Wechselrichters besitzen die Kommutierungskondensatoren
im allgemeinen keine Ladung. Sie müssen deshalb vor Beginn des Wechselrichterbetriebs
auf geladen werden. Zu diesem Zweck weisen bekannte Einrichtungen eine gesonderte
Spannungsquelle auf, die über Widerstände und Dioden an die Kommutierungskondensatoren
angekoppelt ist und die die Kommutierungskondensatoren auf die erforderliche Kommutierungsspannung
auflädt. Die Dioden entkoppeln während des Stromrichterbetriebs die externe Aufladeeinrichtung
von den Kondensatoren. Diese Zusatzeinrichtungen verursachen zusätzliche Kosten
und vergrößern das Gewicht und den Platzbedarf der Stromrichterschaltung.
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Aus der deutschen Patentanmeldung P 29 52 323.7 ist ein Antaktverfahren
bekannt, das ohne Zusatzeinrichtung auskommt. Dieses Verfahren macht von der Tatsache
Gebrauch, daß beim Einschalten des Stromes an der Impedanz des Verbrauchers ein
Spannungsabfall entsteht, der eine Aufladung der Kommutierungskondensatoren ermöglicht.
Da die Impedanz der Zwischenkreisdrossel im allgemeinen wesentlich größer ist als
die Impedanz des Verbrauchers, ist die Spannung an den Kommutierungskondensatoren
jedoch zunächst relativ klein, so daß die Gefahr von Kommutierungsversagern existiert.
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Dies würde dazu führen, daß der Wechselrichter den Zwischenkreis kurzschließt;
dann muß der Zwischenkreisstrom abgebaut und ein neuer Antaktvorgang eingeleitet
werden. Um diese Gefahr zu vermeiden, wird bei dem vorbeschriebenen Antaktverfahren
der Zwischenkreisstrom mit Hilfe des Stromreglers zunächst auf einen kleinen Wert
begrenzt und mit wachsender Spannung auf den Kommutierungskondensatoren allmählich
auf den Sollwert erhöht. Die Synchronisierung von Einspeiseschaltung und Wechselrichter,
die für den Aufbau eines Stromflusses erforderlich ist, wird im Grunde dem Zufall
überlassen, dem jedoch durch eine hohe Frequenz der Wechselrichter-Zündimpulse nachgeholfen
wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte
Antaktverfahren, welches ohne Zusatzeinrichtungen arbeitet, derart weiterzubilden,
daß auf die bewußte Herunterregelung des Zwischenkreisstromes während des Antaktvorganges
verzichtet werden kann und die volle Kommutierungsfähigkeit schneller und sicherer
erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kommutierung der Stromrichterventile
während des Antaktvorgangs nur zu dem Zeitpunkt erfolgt, an dem der Zwischenkreisstrom
gerade ein Minimum besitzt.
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Die Erfindung macht von der während des Antaktvorgangs erheblichen
Welligkeit des Zwischenkreisstromes Gebrauch, um den Antaktvorgang, d.h. den Aufbau
der Kommutierungsspannung auf den Kommutierungskondensatoren, durchzuführen.
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Vorzugsweise werden die Wechselrichterventile gleichzeitig mit Ventilen
der Einspeiseschaltung gezündet. Die Synchronisierung der Zündimpulse in Einspeiseschaltung
und Wechselrichter ist zu Betriebsbeginn in jedem Fall erforderlich, damit überhaupt
ein Stromfluß zustandekommen kann. Gemäß der Erfindung wird diese Synchronisation
für den gesamten Antaktvorgang beibehalten. Während des Antaktvorgangs wird die
Zündimpulsinformation der Einspeiseschaltung dazu verwendet, die Zündimpulse von
Einspeiseschaltung und Wechselrichter zu synchronisieren. Hauptmerkmal der Erfindung
ist, daß der Wechselrichter während des Antaktvorgangs nur zu den Zeitpunkten Zündimpulse
erhält, an denen die Einspeiseschaltung ebenfalls welche erhält, so daß immer im
Stromminimum kommutiert wird.
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Obwohl sich die Kommutierungskondensatoren durch die Art der Schaltung
nicht selbst entladen können und der Antaktvorgang auch mit einer beliebig niedrigen
Frequenz durchgeführt werden könnte, ist es jedoch sinnvoll,das Antaktenrmit erhöhter
Frequenz durchzuführen, damit der Stromrichter in kürzester Zeit voll kommutierungsfähig
wird.
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Um das erfindungsgemäße Antaktverfahren durchführen zu können, muß
auch ein Steuersatz geschaffen werden, der dafür sorgt, daß die Ventilkommutierung
im Wechselrichter auf jeden Fall mit einem Minimum des Zwischenkreisstromes zeitlich
zusammenfällt.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß besondere Antaktimpulse über
ein Totzeitglied und ein Monoflop mit dynamischem Eingang auf den Eingang eines
Ringzählers geschaltet sind,
daß der Ringzähler zyklisch verschobene
Ausgangsimpulse an je ein erstes UND-Gatter abgibt, daß die Ausgangssignale dieser
ersten UND-Gatter über je einen Zündimpulsverstärker als Zündimpulse an die zugehörigen
Ventile des Wechselrichters geschaltet sind, daß die gesammelten Zündimpulse der
Einspeiseschaltung über den ersten Eingang eines zweiten UND-Gatters auf einen ODER-Eingang
eines ODER-UND-Gatters geschaltet sind, daß auf den UND-Eingang des ODER-UND-Gatters
das Impulsfreigabe-Signal geschaltet ist, daß der Ausgang des ODER-UND-Gatters mit
allen zweiten Eingängen der ersten UND-Gatter verbunden ist und daß an den zweiten
Eingang des zweiten UND-Gatters ein Antakt-Signal angeschaltet ist.
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Diese Schaltungsanordnung synchronisiert die Kommutierungsvorgänge
der Wechselrichterventile mit dem Beginn der Stromleitung des bzw. der Ventile der
den eingeprägten Gleichstrom liefernden Einspeiseschaltung. Auf diese Weise werden
die Ventile des Wechselrichterteils immer zum Zeitpunkt eines Minimums des pulsierenden
Zwischenkreisgleichstroms gezündet, ohne daß besondere Strommeßeinrichtungen verwendet
werden müssen. Handelt es sich bei der Einspeiseschaltung um einen gesteuerten Gleichrichter,
so handelt es sich bei den gesammelten Zündimpulsen um die Zündimpulse für die Gleichrichter-Ventile;
handelt es sich bei der Einspeiseschaltung um einen Gleichstromsteller, so handelt
es sich bei den gesammelten Zündimpulsen um die Zündimpulse für den bzw. die Hauptthyristoren.
Außerdem hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sie durch Umschalten
einiger weniger Schaltungskomponenten als Steuersatz auch während des normalen Stromrichterbetriebs
dienen kann.
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Um dies zu ermöglichen, ist in vorteilhafter Weise dem Eingang des
Verzögerungsgliedes ein Umschalter vorgeschaltet, der während des Antaktvorganges
die Antaktimpulse, während der übrigen Betriebszeit die dem Frequenz-Sollwert entsprechenden
Impulse weiterleitet, sind die am Eingang des
Ringzählers anliegenden
Impulse über ein drittes UND-Gatter und über ein Monoflop auf einen ODER-Eingang
des ODER-UND-Gatters, an dessen zweitem ODER-Eingang das Ausgangssignal des zweiten
UND-Gatters und an dessen UND-Eingang das Impulsfreigabe-Signal anliegt, geschaltet
und ist ferner das Antakt-Signal auf einen Sperr-Eingang des dritten UND-Gatters
geschaltet, das während des Antaktvorgangs die vom Eingang des Ringzählers abgegriffenen
Impulse sperrt.
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Der Umschalter am Eingang des Verzögerungsgliedes kann sowohl durch
eine einfache Logikschaltung als auch durch einen Wechsler eines Relais realisiert
werden. Die Steuerung des Umschalters erfolgt über das Antakt-Signal.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sowie ihre Vorteile ergeben
sich aus den Unteransprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung.
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Es zeigen: Fig. 1 einen dreiphasigen Wechselrichter in Brückenschaltung
mit Phasenfolgelöschung mit Gleichstromzwischenkreis und Einspeiseschaltung, Fig.
2a ein Zündimpulsschema für die Einspeiseschaltung bei Ausbildung als gesteuerter
Gleichrichter, Fig. 2b den Verlauf des Zwischenkreisgleichstroms während der Antaktphase,
Fig. 2c das Leitschema der Ventile des Wechselrichters während der Antaktphase,
Fig. 2d das Leitschema für die Ventile des Wechselrichters gemäß Fig. 1, Fig. 3
einen Steuersatz zur Zündimpulserzeugung für die Wechselrichterventile bei Verwendung
einer Drehstrom-Brückenschaltung als Einspeiseschaltung.
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Fig. 1 zeigt einen Umrichter, bestehend aus einer winspeisung E, die
im vorliegenden Beispiel als netzkommutierte Drehstrom-Brückenschaltung ausgebildet
ist, die jedoch bei einem Gleichstrom- oder Einphasenwechselstromnetz auch als Gleichstromsteller
oder als Einphasen-Gleichrichter ausgebildet sein kann, einem Gleichstromzwischenkreis
mit einer Zwischenkreissdrossel Ld und einem Wechselrichter WR. Der Wechselrichter
WR ist als dreiphasige Drehstrom-Brückenschaltung mit Phasenfolgelöschung ausgebildet.
An seinen Drehstromausgängen ist als Verbraucher eine Drehstrom-Asynchronmaschine
ASM angeschlossen. Im Zwischenkreis fließt ein eingeprägter Gleichstrom 1d Am Ausgang
der Einspeiseschaltung E erscheint die Gleichspannung U0.
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Der Wechselrichter WR besteht aus sechs Thyristoren T1,..T6.
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In Serie zu jedem Thyristor ist eine Diode D1...D6 angeordnet.
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Zwischen die Verbindungspunkte von Thyristoren und Dioden ist je ein
Kommutierungskondensator CK1....CK6 geschaltet.
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Beim Einschalten des Umrichters sind die Kommutierungskondensatoren
CK zunächst ungeladen; es muß deshalb für eine passende Aufladung gesorgt werden.
Das in der deutschen Patentanmeldung P 29 52 323.7 beschriebene sowie das erfindungsgemäße
Verfahren machen von der bekannten Tatsache Gebrauch, daß an der Impedanz des an
den Wechselrichter angeschlossenen Verbrauchers beim Einschalten des Stromes ein
Spannungsabfall entsteht, der die Kommutierungskondensatoren CK1 ... CK6 auflädt.
Zündet man beispielsweise die Thyristoren T1 und T6 (Fig. 1), so können die Kommutierungskondensatoren
CK1 und CK4 auf die an der Verbraucherimpedanz abfallende Spannung aufgeladen werden,
welche sich durch Spannungsteilung an der Reihenschaltung von Zwischenkreis-und
Verbraucherimpedanz aus der Spannung U0 der Einspeiseschaltung E ergibt. Bei normaler
Zündreihenfolge wird anschließend der Thyristor T2 oder T5 gezündet, so daß nur
die
Hälfte der Spannung für die Thyristor}ommutierung zur Verfügung steht. Da beim Einschalten
des Stromes die Zwischenkreisimpedanz im allgemeinen wesentlich größer ist als die
Verbraucherimpedanz, ist die Spannung an den Kommutierungskondensatoren relativ
klein, so daß nur ein entsprechend kleiner Thyristorstrom kommutiert werden kann.
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Im weiteren Verlauf des Antaktvorganges stellt sich bei weiterhin
fehlender Gegenspannung am Verbraucher die Höhe der Spannung an den Kommutierungskondensatoren
nur in Abhängigkeit vom Zwischenkreisstrom ein.
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L' bzw. C' sind die im Diodenkommutierungskreis wirksame Induktivität
bzw. Kapazität.
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Bei dem in der deutschen Patentanmeldung P 29 52 323.7 beschriebenen
Verfahren wird der zulässige Anstieg des Zwischenkreisstromes Id zunächst auf solche
Werte begrenzt, daß der von der jeweils zur Verfügung stehende Kommutierungsspannung
getriebene Kommutierungsstrom-Scheitelwert den im zu löschenden Thyristor fließenden
Laststrom 1d überschreitet. Die Begrenzung des Zwischenkreisstromes Id erfolgt durch
entsprechende Einstellung des Stromsollwertes an einem in den Einspeiseglied E üblicherweise
vorhandenen Stromregler. Die Untergrenze für den Zwischenkreisstrom Id ist durch
die Lückgrenze des Zwischenkreisstromes gegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dagegen arbeitet ohne Beeinflussung
des Stromreglers und nutzt stattdessen die Welligkeit des eingeprägten Zwischenkreisstromes
während der Antaktphase aus. Außerdem stellt die Lückgrenze hier keine Untergrenze
für den Zwischenkreisstrom Id dar.
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Fig. 2a zeigt am Beispiel einer Drehstrom-Gleichrichter-Drücke als
Einspeiseschaltung E die Zündimpulse der Gleichrichterventile.
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Fig. 2b zeigt dazu zeitrichtig den Verlauf des Zwischenkreisstromes
Id. Man erkennt, daß der Zwischenkreisstrom Id von Null ausgehend ansteigt und dabei
eine starke Welligkeit aufweist, wobei jedes Stromminimum genau mit einem Zündimpuls
zusammenfällt.
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Fig. 2c zeigt das Zünd- und Leitschema für die sechs Ventile des Wechselrichters
WR. Man erkannt, daß jeder Kommutierungsvorgang im Wechselrichter WR zeitlich mit
dem Auftreten eines Zündimpulses in der Einspeiseschaltung und damit mit einem Minimum
des Zwischenkreisstromes 1d zusammenfällt, ohne daß der Zwischenkreisstrom selbst
gemessen werden müßte.
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Fig. 2d zeigt dann das Leitschema der Wechselrichterventile nach Beendigung
des Antaktvorgangs, d.h. während des eigentlichen Betriebs. Hier sind die Zeiten,
während deren die einzelnen Ventile leitend sind, untereinander gleich lang, entsprechend
einer Länge von 1200 el.
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Fig. 3 zeigt in Form eines Block-Schaltplans den Aufbau eines Steuersatzes,
der sowohl zur Durchführung des erfindungsgemäßen Antaktverfahrens als auch für
den normalen Betrieb geeignet ist. Man erkennt an der linken Seite fünf Klemmen,
an denen folgende Signale zugeführt werden: An Klemme 1 ein analoges Frequenz-Sollwert-Signal
f* für den normalen Betrieb des Wechselrichters, an Klemme 2 die gesammelten Zündimpulse
F der Einspeiseschaltung E, an Klemme 3 ein Antakt-Signal H, welches den Steuersatz
auf den Antaktvorgang umschaltet und im vorliegenden Beispiel einen logischen H-Pegel
besitzt, an Klemme 4 die Antaktimpulse F*, die
während des Antaktvorgangs
die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters WR bestimmten, und an Klemme 5 ein Impulsfreigabe-Signal,
mit dem in üblicher Weise die Weiterleitung der im Steuersatz erzeugten Impulse
an die Ventile des Wechselrichters gesperrt oder freigegeben werden kann.
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Da im vorliegenden Beispiel das Antaktsignal H an Klemme 3 auf logisch
H" liegt, ist das Relais Rel erregt und die Antaktimpulse F* gelangen von der Klemme
4 über den Kontakt r2 des Umschalters R, über ein Verzögerungsglied 6 und über ein
Monoflop 7 mit dynamischem Eingang an den Eingang eines Ringzählers RC. Bei jedem
Impuls C am Eingang des Ringzählers RC werden die Signale am Ausgang des Ringzählers
RC um eine Stelle weitergeschoben. Sie stellen Signale mit der Länge von 1200 el.,
bezogen auf die Frequenz der Ausgangsspannung des Wechselrichters WR, dar.
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Diese Signale sind mit Y1...Y6 bezeichnet und gelangen an den einen
Eingang eines ersten UND-Gatters 8.1...8.6 und von dessen Ausgang über einen Impulsverstärker
9.1... .9.6 zu den jeweiligen Ventilen T1...T6. Die ersten UND-Gatter 8.1...8.6
sind jedoch nur dann für die Signale Y1..Y6 durchlässig, wenn das Signal X an ihrem
jeweiligen zweiten Eingang ansteht. Dieses Signal X, das den Zeitpunkt und die Länge
der Zündimpulse des Stromrichters bestimmt, wird während der Antaktphase von den
gesammelten Zündimpulsen F der Einspeiseschaltung E unter Verknüpfung mit dem Impulsfreigabe-Signal
an Klemme 5 erzeugt. Zu diesem Zweck werden die gesammelten Zündimpulse F an den
ersten Eingang eines zweiten UND-Gatters 10 geleitet, welches jedoch nur dann die
Zündimpulse weiterelietet, wenn das an sienem zweiten Eingang anliegende Antakt-Signal
H von Klemme 3 vorhanden ist.
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Vom Ausgang des zweiten UND-Gatters 10 gelangen die gesammelten Zündimpulse
an einen ODER-Eingang eines ODER-UND-Gatters 13, an dessen UND-Eingang des Impulsfreigabe-Signal
von Klemme 5 anliegt.
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Sobald der Antaktvorgang beendet ist, verschwindet das Antakt-Signal
an der Klemme 3, das Relais Rel fälit ab und der Kontakt des Umschalters R verbindet
sich mit dem Kontakt rl. Auf diese Weise wird der an der Klemme 1 anliegende Frequenz-Sollwert
f* über einen Analog-Digital-Wandler AD bestimmend für die Ausgangsfrequenz des
Wechselrichters WR.
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Mit dem Verschwinden des Antakt-Signals an Klemme 3 wird gleichzeitig
das zweite UND-Gatter 10 undurchlässig für die gesammelten Zündimpulse F. Gleichzeitig
wird ein drittes UND-Gatter 11 durchlässig, an dessen Eingang die auch am Eingang
des Ringzählers RC anliegenden Impulse anliegen.
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Die das UND-Gatter 11 durchlaufenden Impulse werden ine einem Monoflop
12 mit dynamischem Eingang geformt und gelangen an einen zweiten ODER-Eingang des
ODER-UND-Gatters 13 und bilden auf diese Weise während des normalen Wechselrichterbetriebs
das Signal X, das Zeitpunkt und Länge der Zündimpulse des Stromrichters bestimmt.
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Als Antaktimpulse F* können im Prinzip Impulse beliebiger Frequenz
gewählt werden. Vorzugsweise werden jedoch die gesammelten Zündimpulse F der Einspeiseschaltung
E oder aus diesen abgeleiteten Impulse als Antaktimpulse F* verwendet.
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Im letzten Fall wird ein Frequenzteiler von der Klemme 2 zur Klemme
4 geschaltet.
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Wird das zweite UND-Gatter 10 als ODER-UND-Gatter ausgebildet, an
dessen UND-Eingang die gesammelten Zündimpulse F anliegen, an dessen erstem ODER-Eingang
das Antaktsignal H von Klemme 3 liegt und an dessen zweitem ODER-Eingang ein Strom-Null-Signal
angelegt wird, so können Schwierigkeiten im normalen Wechselrichterbetrieb, welche
durch Lücken des Zwischenkreisstromes 1d entstehen können, vermieden werden, da
bei jedem Auftreten des Strom-Null-Signals ein Zündimpuls
an Ausgang
eines der ersten UND-Gatter 8.1...8.6 ausgelöst wird. Das Strom-Null-Signal erscheint
jedesmal, wenn der Zwischenkreisstrom 1d zu Null wird.
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