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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Versorgung eines elektronisch kommutierten Reluktanzmotors mit
variabler Reluktanz besonders mit Hilfe eines Umformers vom Typ
C-Dump. Sie betrifft auch einen Schaltkreis zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Aus dem Artikel „Development of a unipolar converter
for variable reluctance motor drives" von M. EHSANI et al., IEEE Transactions
on Industry Applications, Vol. IA-23, Nr. 3, Mai/Juni 1987 ist bereits
ein Verfahren und ein Schaltkreis zur Versorgung eines elektronisch
kommutierten Reluktanzmotors bekannt, das einen Umformer vom Typ
C-Dump verwendet. Dieses Verfahren zur Versorgung umfaßt ausgehend
von einer einphasigen Wechselspannungsquelle:
- – eine Gleichrichtung
der von der einphasigen Wechselstromquelle gelieferten Spannung
in einer Gleichrichterstufe, um eine gleichgerichtete Spannung zu
liefern,
- – nacheinander,
für jede
der Phasen dieses Motors:
- – eine
Sequenz der Magnetisierung der Phase, welche eine Energieübertragung
von der Gleichrichterstufe zu der Phase umfaßt, auf die man die gleichgerichtete
Spannung durch Schließen
der zu dieser Phase gehörenden
Kommutierungsvorrichtung anlegt,
- – eine
Sequenz der Entmagnetisierung dieser Phase, welche eine Energieübertragung
von der Phase zu einem der Gesamtheit der Phasen gemeinsamen Speicherkondensator
beim Öffnen der
Kommutierungsvorrichtung umfaßt,
und
- – Sequenzen
der Rückführung der
im Kondensator gespeicherten Energie zur Umformerstufe durch Steuerung
einer mit dem Speicherkondensator in Reihe liegenden Zerhackervorrichtung.
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Zur Durchführung dieses Verfahrens benutzt der
in diesem Artikel beschriebene Schaltkreis:
- – eine Gleichrichterstufe,
um ausgehend von einer einphasigen Wechselspannungsquelle eine gleichgerichtete
Spannung zu liefern,
- – eine
Umformerstufe, um jede der Phasen des Motors zu versorgen, wobei
diese Umformerstufe für
jede Phase eine Phasenkommutierungsvorrichtung aufweist, die gesteuert
ist, um in einem bestimmten Zeitfenster diese Phase durch Anlegen
der gleichgerichteten Spannung zu magnetisieren, wobei diese Phasenkommutierungsvorrichtung
außerdem
gesteuert ist, um die Phase durch Übertragung der in der Phase
gespeicherten magnetischen Energie zu einem für die Gesamtheit der Phasen
des Motors gemeinsamen Speicherkondensator zu entmagnetisieren,
- – eine
Vorrichtung zum Rückführen der
im Speicherkondensator gespeicherten Energie in die Gleichrichterstufe,
wobei die Vorrichtung eine Zerhackervorrichtung umfaßt, und
- – eine
Vorrichtung zur Steuerung der Phasenkommutierungsvorrichtung und
der Zerhackervorrichtung in Abhängigkeit
von Einstellwerten des Betriebs und elektrischer Meßwerte,
besonders des gleichgerichteten Versorgungsstroms und der Spannung
an den Klemmen des Speicherkondensators.
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Man stellt jedoch fest, daß in einem
solchen bekannten Verfahren zur Versorgung eines elektronisch kommutierten
Motors der von der Gleichrichterstufe gelieferte gleichgerichtete
Strom Störungen
bei Frequenzen unterliegt, welche Vielfache der Netzfrequenz sind.
Diese Störungen
können
zu einem Überschreiten
der Werte der Harmonischen des Stroms führen, welche durch die europäische Norm
CEI 555-2 zugelassen sind. Gegenwärtig löst man dieses Problem durch
Filtern des von der Gleichrichtstufe gelieferten Stroms, um ihn
von höheren
Harmonischen des Stroms als die Netzfrequenz zu befreien. Man setzt
beispielsweise ein passives Filter (auf der Basis von Filtern L,
C) oder aktives Filter (vom Typ PFC: „Power Factor Correction" – Korrektur des Leistungsfaktors)
zwischen die Gleichrichterstufe und die Umformerstufe ein, wie beispielsweise
der Artikel „Effect
of Power Factor Correction Circuit on Switched Reluctance Motor
Drives for Appliances" von
R. KRISHNAN und S. LEE, APEC 94, Vol. 1, Orlando, 13. bis 17. Februar
1994 zeigt.
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Die Erfindung schlägt nun ein
Verfahren vor, um einen elektronisch kommutierten Reluktanzmotor mit
variabler Reluktanz zu versorgen, das gleichzeitig die Bedingungen
geringer Kosten und die Beachtung der von der erwähnten europäischen Norm
vorgegebenen Grenzniveaus der Harmonischen erfüllen kann.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Versorgung
des oben beschriebenen Typs besonders dadurch gekennzeichnet, daß es eine
Steuerung der zur Gleichrichterstufe zurückgeleiteten Energie umfaßt, um die
Störungen
des gleichgerichteten Versorgungsstroms zu korrigieren.
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Es wird so möglich, die Störungen des
Versorgungsstroms zu korrigieren und die gegenwärtigen Anforderungen hinsichtlich
der elektromagnetischen Kompatiblität zu erfüllen, ohne daß man systematisch
eine passive oder aktive Filterung vor der Konvertierungsstufe vorsehen
muß und
indem man rationell die normalerweise im Kondensator eines Umformers
vom Typ C-Dump vorhandenen Energiequellen benutzt. Daraus folgt
ein erheblicher wirtschaftlicher Gewinn im Vergleich mit den bisherigen Lösungen.
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Man versteht allgemeiner unter Stromstörungen jede
Verformung der Stromwellenform bezüglich einer Referenz-Stromwellenform,
wobei diese Verformung durch jedes identifizierte oder nicht identifizierte
physikalische Phänomen
eingeführt
werden kann, das seinen Ursprung innerhalb oder außerhalb
des betreffenden Antriebssystems hat.
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Die Störungen des gleichgerichteten
Versorgungsstroms können
beispielsweise korrigiert werden durch Bezug auf eine Referenz-Stromwelle.
In einer besonderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfaßt
die Kontrolle der rückgeführten Energie
eine Modulation des zyklischen Zerhackertastverhältnisses. Man kann beispielsweise
vorsehen, daß diese
zyklische Verhältnis
um einen im wesentlichen konstanten Mittelwert moduliert wird. Der
Mittelwert des zyklischen Zerhackertastverhältnisses ist dann vorzugsweise
in der Nähe
von ½ gewählt, um
einen Mittelwert der Spannung an den Klemmen des Speicherkondensators
nahe bei dem zweifachen der gleichgerichteten Versorgungsspannung
aufrechtzuerhalten, um eine korrekte Entmagnetisierung der Phasen
des Motors zu gewährleisten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
dieses Verfahren außerdem
eine Messung des gleichgerichteten Versorgungsstroms und einen Vergleich
dieses gemessenen Stroms mit der Referenz-Stromwelle, um die zu
korrigierenden Störungen
zu bestimmen.
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In einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird während
der Sequenz der Energierückführung eine
Induktivität,
die die Funktion eines magnetischen Puffers hat, zwischen dem Speicherkondensator
und der Umformerstufe eingeschaltet.
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In einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird während
der Sequenz der Energierückführung die
im Kondensator gespeicherte Energie direkt zur Umformerstufe übertragen
und das Verfahren umfaßt
dabei eine Filterung des gleichgerichteten Versorgungsstroms.
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Im übrigen kann das erfindungsgemäße Verfahren
vorteilhafterweise außerdem
eine Korrektur des Leistungsfaktors der Gesamtheit Motor/Umformerstufe
in Abhängigkeit
besonders von der Messung der gleichgerichteten Versorgungsspannung und
des gleichgerichteten Versorgungsstroms umfassen.
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Die Erfindung sieht auch einen Schaltkreis zur
Durchführung
des obigen Verfahrens vor.
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Zu diesem Zweck ist ein Schaltkreis
des oben beschriebenen Typs besonders dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung
so ausgebildet ist, daß sie
die Zerhackervorrichtung entsprechend einem variablen zyklischen
Verhältnis
so steuert, daß die
am gleichgerichteten Versorgungsstrom beobachteten Störungen korrigiert
werden.
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In einer ersten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaltkreises
weist dieser außerdem
eine Induktivität
auf, die zwischen der Zerhackervorrichtung und der Umformerstufe
angeordnet ist und als magnetischer Puffer wirkt.
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In einer zweiten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaltkreises
weist dieser außerdem
eine Filterstufe auf, die zwischen der Gleichrichterstufe und der
Umformerstufe angeordnet ist.
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Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und
Vorteilen erläutert
durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die nur als Beispiel
und nicht begrenzend beigefügten
Zeichnungen:
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1 ist
ein synoptisches Schema eines Systems zur Motorisierung mit variabler
Reluktanz, das das Verfahren und den Schaltkreis gemäß der Erfindung
zur Versorgung benutzt;
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaltkreises;
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A, 3B und 3C zeigen schematisch die Energieübertragung
in dem in 2 dargestellten Schaltkreis
jeweils in den Sequenzen Magnetisierung, Entmagnetisierung und Energierückführung;
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4 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Schaltkreises;
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5A, 5B und 5C zeigen schematisch die Energieübertragung
in dem in 4 gezeigten Schaltkreis
jeweils in den Sequenzen Magnetisierung, Entmagnetisierung und Energierückführung; und
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6 ist
eine Variante des in 4 gezeigten
Schaltkreises.
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Im folgenden werden mit Bezug auf
die erwähnten
Figuren die allgemeine Struktur eines erfindungsgemäßen Schaltkreises
und zwei Ausführungsbeispielen
sowie das in diesen Schaltkreisen ablaufende Verfahren zur Versorgung
beschrieben.
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Ein Antriebssystem mit variabler
Geschwindigkeit 1, welches das erfindungsgemäße Verfahren benutzt,
umfaßt
mit Bezug auf 1: eine
Gleichrichterstufe 15, die mit einer Einphasen-Wechselspannungsquelle 17,
beispielsweise dem Netz, verbunden ist, eine Umformerstufe 3,
welche die drei Phasen eines variablen Reluktanzmotors mit elektronischer
Kommutierung 100 versorgt, eine Energierückführungsstufe 4 und
eine Steuervorrichtung 23, deren Eingang Einstellwerte,
Informationen der Winkelstellung 25 des Rotors des Motors
und Meßwerte 24, 26 von
zum System gehörenden
physikalischen Größen empfängt und
Steuerbefehle 28, 27 für elektronische Schalter der
Umformerstufe 3 und einen Zerhackerschalter TH der Energierückführstufe 4 erzeugt.
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In einer ersten Ausführungsform
des Versorgungsschaltkreises 2, die in 2 gezeigt ist, ist die Umformerstufe 3 direkt
ohne Einfügung
eines Filters mit dem Ausgang der Gleichrichterstufe 15 verbunden
und eine Induktivität
L ist zwischen dem oberen gemeinsamen Punkt der Umformerstufe 3 und
der Energierückführungsstufe 4 angeordnet.
Die Gleichrichterstufe 15 kann die klassische Struktur
einer Brücke
mit vier Dioden aufweisen. Die Umformerstufe 3 ist vom
Typ C-Dump. Sie umfaßt
eine obere Leitung 21 und eine untere Leitung 22,
die jeweils mit den Ausgangsklemmen der Gleichrichterstufe 15 verbunden
sind, und drei parallel verbundene Zweige, welche jeder einen Leistungsschalter
T1, T2, T3, beispielsweise einen Transistor IGBT aufweisen, der
einerseits mit einer Klemme einer Phase des Motors 100 und
andererseits mit der unteren Leitung 22 verbunden ist.
Die drei Phasen Lph1, Lph2, Lph3 sind in Sternschaltung verbunden
und ihr gemeinsamer Punkt ist mit der oberen Leitung der Umformerstufe 3 verbunden.
Im übrigen
ist in klassischer Weise eine Freilaufdiode 18 zwischen
der oberen und unteren Leitung 21, 22 vorgesehen,
um eine Kontinuität
des von der Umformerstufe 3 zufließenden Stroms zu gewährleisten
und so Überspannungen
zu vermeiden. Mit jedem Verbindungspunkt eines Schalters T1, T2, T3
und der zu ihm gehörenden
Phase Lph1, Lph2, Lph3 ist die Anode einer Entmagnetisierungsdiode D1,
D2, D3 verbunden. Die Energierückführungsstufe 4 weist
in Reihe einen Speicherkondensator C, einen Zerhackerschalter TH
und eine Diode 16 auf. Die Kathoden der drei Entmagnetisierungsdioden
D1, D2, D3 sind mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Speicherkondensator
C und dem Zerhackerschalter TH verbunden, der beispielsweise ein
Transistor IGBT sein kann. Eine Steuervorrichtung 23 des Systems 1 weist
ein Steuermodul 10 des Zerhackerschalters TH und ein Steuermodul 35 der
drei Phasenschalter T1, T2, T3 auf. Das Zerhacker-Steuermodul 10 empfängt einen
Meßwert 11 der
gleichgerichteten Versorgungsspannung, einen Meßwert 12 der Spannung
an den Klemmen des Speicherkondensators C, einen Meßwert 13 des
gleichgerichteten Versorgungsstroms Ia, der an die Klemmen eines Shuntwiderstands 29 geliefert
wird, und erzeugt daraus Steuerbefehle des Zerhackerschalters TH
und Kontrollbefehle 14 des Phasensteuermoduls 35.
Dieser empfängt
auch Informationen der Stellung des Rotors des Motors, die beispielsweise
von einem Winkelpositionsfühler
geliefert werden, und Funktionseinstellwerte, beispielsweise einen
Einstellwert der Geschwindigkeit, und erzeugt daraus Steuerbefehle
für die
Phasenschalter T1, T2, T3.
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Es werden nun die Arbeitsweise dieses
erfindungsgemäßen Schaltkreises
sowie die im Verlauf der verschiedenen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
realisierten Energieübertragungen
mit Bezug auf die 2 und 3A bis 3C beschrieben. Es sei bemerkt, daß aus Gründen der
Vereinfachung die Energieflüsse
in den 3A bis 3C nur für eine einzige Phase dargestellt
sind.
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Die Gleichrichterstufe 15 liefert
eine gleichgerichtete Spannung in der Form von Vollwellen. Der von
dieser Gleichrichterstufe gelieferte gleichgerichtete Versorgungsstrom
Ia ist eine Funktion der verschiedenen Phasenkommutierungen, die
mit variabler Frequenz bewirkt werden. Das Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es, zu einem gleichgerichteten Versor gungsstrom zu tendieren,
der eine homothetische Wellenform zu der der gleichgerichteten Spannung
zeigt. Jede Phase Lph1, Lph2, Lph3 des Motors 100 ist im
Rhythmus der Phasenkommutierungen aufeinander folgenden Stufen der
Magnetisierung (M) und Entmagnetisierung (D) unterworfen.
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Es sei bemerkt, daß entsprechend
den angewandten Steuermoden gleichzeitig ein Magnetisierungsschritt
an einer Phase und ein Entmagnetisierungsschritt an einer anderen
Phase ablaufen können.
Allgemeiner gesagt kann das erfindungsgemäße Verfahren der Versorgung
unabhängig
vom Niveau der Überlagerung
zwischen jeweiligen Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsschritten,
welche die verschiedenen Phasen des Motors betreffen, benutzt werden.
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Im Verlauf eines Magnetisierungsschritts
(M) einer bestimmten Phase des Motors wird elektrische Energie von
der Quelle 17 über
die Gleichrichterstufe 15 und einen Zweig der Umformerstufe 3 zu
einer Phase des Motors übertragen,
wo ein Teil derselben in mechanische Energie umgewandelt und ein
anderer Teil in Form von magnetischer Energie im Motor gespeichert
wird (3A). Der Versorgungsstrom
Ia ist dann gleich der Summe der Ströme in den drei Phasen des Motors.
Wenn der entsprechende Phasenschalter erneut gesperrt wird, beginnt
dann ein Entmagnetisierungsschritt (D) in dessen Verlauf die im
Motor 100 gespeicherte magnetische Energie über die
Entmagnetisierungsdiode in Form von elektrostatischer Energie in
den Speicherkondensator übertragen
wird (3B). Im Verlauf
des Entmagnetisierungsschritts (D) liefert die Gleichrichterstufe 4 weiterhin
dem System elektrische Energie. Diese Entmagnetisierung wird dadurch
ermöglicht,
daß die Spannung
an den Klemmen des Speicherkondensators bei einer mittleren Spannung
in der Nähe
des Doppelten der gleichgerichteten Versorgungsspannung gehalten
wird. Die Zerhackerstufe 4 wird in den leitenden Modus
gesteuert einerseits, wenn die Spannung an den Klemmen des Speicherkondensators
einen Sicherheits-Grenzwert übersteigt,
und andererseits, wenn der gemessene Versorgungsstrom größer wird
als ein an eine Referenz-Stromwelle gebundener Einstellwert. Das
Zerhakken wird so mit einer Zerhackerfrequenz und einem zyklischen
Verhältnis
realisiert, die variabel sind. Im Verlauf eines Energierückführungsschritts
(R) wird ein Teil der im Speicherkondensator C gespeicherten Energie über die
Induktivität
L zur Gleichrichterstufe 15 übertragen, während der
Phasenschalter sich dann im leitenden Modus befindet. Der Versorgungsstrom
Ia ist dann gleich der Differenz zwischen der Summe ΣIph der Ströme in den
Phasen des Motors und dem Strom Ic, der vom Speicherkondensator
C geliefert wird. Wenn der gemessene Versorgungsstrom kleiner wird
als der Strom der Referenzwelle wird der Zerhacker schalter in den
Blockierungsmodus umgeschaltet und der Energierückführungsschritt wird beendet.
Man kann auch vorsehen, daß die
Steuerung des Zerhackerschalters TH nur wirksam ist, wenn die an
den Klemmen des Speicherkondensators C gemessene Spannung höher ist
als die gemessene gleichgerichtete Versorgungsspannung.
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Ein wesentlicher Unterschied des
erfindungsgemäßen Verfahrens
der Versorgung zu den klassischen Verfahren liegt darin, daß man die
Störungen
des Versorgungsstroms ohne Zufügung
von zusätzlichen
Leistungsbauteilen korrigiert, indem ein variables zyklisches Verhältnis an
den Zerhackerschalter der C-Dump-Schaltung angelegt wird.
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Im folgenden werden mit Bezug auf 4 eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und ein Ausführungsbeispiel
eines entsprechenden Versorgungsstromkreises beschrieben. In den 4 und 5A bis 5C sind
Bauteile und Module, die identisch sind mit denen, die bereits mit Bezug
auf die 2 und 3A bis 3C beschrieben wurden, mit den gleichen
Bezugszeichen versehen. Es sei bemerkt, daß zur Vereinfachung die Energieflüsse in den 5A bis 5C nur für eine einzige Phase dargestellt
sind.
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Der erfindungsgemäße Versorgungs-Schaltkreis 6 weist
eine Gleichrichterstufe 15, eine Filterstufe F, eine Umformerstufe 3,
die mit den drei Phasen eines elektronisch kommutierten Motors mit
variabler Reluktanz 100 verbunden ist, und eine Energierückführungsstufe 4 auf.
Die Filterstufe F umfaßt
beispielsweise ein passives Filter mit klassischerweise einer Induktivität L1 und
einem Kondensator C1 und einer Diode D', um einerseits die Filterstufe und
andererseits die Umformerstufe im Verlauf des Rückführungsschritts zu isolieren.
Die Energierückführungsstufe 4 ist
in dieser besonderen Ausführungsform
direkt mit der Umformerstufe 3 ohne Zufügung einer Induktivität noch einer
Freilaufdiode parallel zur Zerhackerstufe verbunden.
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Im folgenden werden die Arbeitsweise
dieses erfindungsgemäßen Versorgungs-Schaltkreises sowie
die im Verlauf der verschiedenen erfindungsgemäßen Verfahrensschritte realisierten
Energieübertragungen
mit Bezug auf die 4 und 5A bis 5C beschrieben. Die Magnetisierungs-
und Entmagnetisierungsschritte (5A und 5B) sind ähnlich den für die erste
Ausführungsform
beschriebenen, abgesehen von der Tatsache, daß die Filterstufe F zu ihnen beiträgt. In den
Energierückführungsschritten
(R), wenn der Zerhackerschalter TH in seinen leitenden Modus gesteuert
ist, wird die Spannung an den Klemmen des Speicherkondensators C direkt
an die obere Leitung 21 gelegt. Da diese Spannung nun notwendigerweise
höher als
die gleichgerichtete Versorgungsspannung ist, sperrt die Diode D' und der Versorgungsstrom
Ia nimmt nun ab. Sobald der Zerhackerschalter TH einen Sperrbefehl
erhält,
wird die Diode D' wieder
leitend und der gleichgerichtete Versorgungsstrom nimmt nun zu.
Man kann zeigen, daß ein maßvoll dimensioniertes
Filter ausreicht. Im Verlauf des Energierückführungsschritts ist der Versorgungsstrom
Ia gleich dem vom Filterkondensator C1 aufgenommene Strom Ic1, während der
vom Kondensator C gelieferte Strom gleich dem in einer oder mehreren Phasen
zirkulierenden Magnetisierungsstrom ist.
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Die Zerhacker-Steuermodule 10, 20 enthalten
vorzugsweise einen Schaltkreis zur Korrektur des Leistungsfaktors
(PFC), der ein Signal liefert, das den schwachen oder stärkeren Charakter
des Versorgungsstroms anzeigt, ausgehend von der Information des
Referenzstroms (die in der Praxis ausgehend von der Messung der
gleichgerichteten Versorgungsspannung erhalten wird) und der Information
des tatsächlich
gemessenen Versorgungsstroms.
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6 zeigt
eine Variante des Versorgungs-Schaltkreises der 4, worin die gleichen Bezugszeichen Bauteile
und Module bezeichnen, die identisch mit den bereits mit Bezug auf 4 beschriebenen sind. Diese
Variante unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten Schaltkreis nur dadurch,
daß die
Filterstufe F außer
der in der oberen Leitung 21 des Schaltkreises angeordneten
Induktivität
L1 eine zwischen der oberen Leitung 21 und unteren Leitung 22 des
Schaltkreises angeordneten Diode D'' enthält, wobei
die Anode dieser Diode mit der unteren Leitung 22 verbunden
ist. So zeigt diese Filterstufe F den Vorteil, daß sie erheblich
vereinfacht und daher billiger zu realisieren ist. Die Arbeitsweise dieser
Variante des Schaltkreises sowie die im Verlauf der verschiedenen
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
realisierten Energieübertragungen sind ähnlich denen
die mit Bezug auf die 5A bis 5C beschrieben wurden.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht
auf die beschriebenen Beispiele beschränkt und zahlreiche Ausgestaltungen
können
an diesen Beispielen vorgenommen werden, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. So kann die Anzahl der Phasen des Motors beliebig
sein. Die Phasen- und Zerhackerschalter können Transistoren beliebiger
Technologie sein, beispielsweise bipolare Transistoren, MOSFET oder
IGBT. Die Steuermodule können
in verdrahteter oder programmierter Logik realisiert sein und einen
Mikrosteuerbaustein umfassen.
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Im übrigen können die erfindungsgemäßen Schaltkreise
in Form von ASIC-Schaltkreisen integriert oder auch auf der Basis
von diskreten Bauelementen realisiert werden.