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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Elektromotorsysteme
und genauer Verfahren und Vorrichtungen zum Entladen des DC-Busses
in Elektromotorsystemen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektromotorsysteme
enthalten üblicherweise
Motorsteuerschaltungen, wie beispielsweise Inverter. An die Motorsteuerschaltungen
wird Energie über
einen DC-Bus mit einem DC-Buskondensator angelegt, welcher zwischen
den Hoch- und Niederspannungsknoten der DC-Bus gekoppelt ist. Wenn der
DC-Bus abgeschaltet wird, wird die im DC-Buskondensator gespeicherte
Energie üblicherweise durch
Verbinden des DC-Busses mit einer dedizierten Entladeschaltung entladen,
welche üblicherweise einen
großen
Widerstand oder ein anderes dissipatives Bauteil zum Entladen des
DC-Buskondensator enthält.
Herkömmliche
dedizierte Entladeschaltungen zur Verringerung von Energieverlusten
des Systems (d. h. diese Energieverluste des Systems, welche sich
aus der kontinuierlichen Verbindung der dissipativen Vorrichtung
mit der DC-Bus ergeben würden),
welche nur bei erwünschter
Entladefunktion aktiv mit dem DC-Bus verbunden sind, erhöhen sowohl den
Schaltungsumfang und zugleich die Kosten der Motorsteuerschaltung.
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Folglich
ist es wünschenswert,
einen DC-Bus Entladeschaltung bereitzustellen, welche bestehende
Schaltungen zum Durchführen
der notwendigen Entladefunktionen einsetzt. Zudem ist es wünschenswert,
eine zuverlässige
DC-Bus Entladeschaltung bereitzustellen, welche keine Fremdinformationen
erfordert. Zudem werden andere erwünschte Merkmale und Charakteristiken
der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Be schreibung
und den beiliegenden Ansprüchen
offensichtlich, welche in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
und dem vorangehenden technischen Gebiet und Hintergrund genommen
wurden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Elektromotorsystem ist mit einer verbesserten Entladung einer Gleichstromssammelschiene versehen,
welche einen Inverter mit Leistung versorgt. Das Elektromotorsystem
enthält
einen Elektromotor, den Inverter, welcher die elektrische Regelung für den Elektromotor
liefert, den DC-Bus, welcher den Inverter mit Leistung versorgt,
und einen Prozessor. Der Prozessor erzeugt Betriebsstellsignale
und versorgt den Inverter mit solchen Betriebsstellsignalen. Der
Prozessor erzeugt in Erwiderung auf das Erfassen eines vorbestimmten
Entladesignals Betriebsstellsignale zum Erzeugen eines Oberwellenstroms in
den Motorwicklungen des Elektromotors, um Energie von dem DC-Bus durch eine passive
Last abzuleiten, wobei die passive Last die Motorwicklungen des
Elektromotors enthält.
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Ein
Verfahren zum Entladen eines DC-Busses ist geliefert, welche eine
Motorsteuerschaltung in einem Elektromotorsystem mit Leistung versorgt. Das
Verfahren enthält
die Schritte zum Erfassen eines vorbestimmten Entladesignals und
Erzeugen von Betriebsstellsignalen zum Erzeugen eines Oberwellenstroms
in den Motorwicklungen eines Elektromotors des Elektromotorsystems,
um Energie von der Gleichstromssammelschiene durch eine passive Last
in Erwiderung auf das Erfassen des vorbestimmten Entladesignals
abzuleiten, wobei die passive Last die Motorwicklungen des Elektromotors
enthält.
Das Verfahren enthält
zudem den Schritt zum Versorgen der Motorsteuerschaltung mit den
Betriebsstellsignalen zum Entladen des DC-Busses durch die Motorsteuerschaltung
und die Motorwicklungen des Elektromotors.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den folgenden
Figuren der Zeichnungen beschrieben werden, in welchen gleiche Bezugszeichen
gleiche Elemente bezeichnen und
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1 ein
Blockdiagramm eines Elektromotorsystems nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 den
aktiven Schaltvektorraum für
einen Elektromotor des Elektromotorsystems der 1 nach
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ein
Schaltvektorschema für
den Entladebetriebssignalgenerator bzw. die Vorrichtung zum Erzeugen
eines Entladebetriebssignals des Elektromotorsystems der 1 nach
der Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 einen
Ablaufplan der Betätigung
der Vorrichtung zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals des Elektromotorsystems
der 1 nach der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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5 einen
Graphen der Entladung der DC-Bus durch die Vorrichtung zum Erzeugen
eines Entladebetriebssignals des Elektromotorsystems der 1 nach
der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich beispielhafter
Art und soll die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der
Erfindung nicht beschränken.
Zudem besteht keine Absicht durch eine zum Ausdruck gebrachte oder
implizierte Theorie gebunden zu sein, welche im vorangehenden technischen Gebiet,
dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten
Beschreibung aufgezeigt ist.
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In
Bezug auf 1 enthält ein Elektromotorsystem 100 nach
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung einen dreiphasigen Elektromotor 110,
wie beispielsweise eine Induktionsmaschine oder einen Dauermagnetelektromotor,
welcher in Erwiderung auf Signale von einer Motorsteuerschaltung 120,
wie beispielsweise ein Inverter, arbeitet. Der Inverter 120,
welcher die elektrische Regelung für den Elektromotor 110 liefert,
ist zwischen den DC-Bus-Leitungen 135 einer Leistungsquelle 140 verbunden.
Der Inverter 120 enthält
die Schalter 122 bis 127 und arbeitet in Erwiderung
auf Betriebsstellsignale von einem Prozessor 170, um jede
Phase oder Motorwicklung 115 des Motors 110 mit
Spannung zu versorgen, wobei alle Schalterpaare 122/125, 123/126 und 124/127 einen
Phasenschenkel des Inverters 120 bilden. Zusätzlich zu
dem im Inverter 120 dargestellten Schaltkreis der Schalter könnten die
Schalter 122 bis 127 alternativ durch Transistoren,
wie beispielsweise IGBTs, implementiert werden.
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Ein
DC-Bus-Kondensator 145 ist zwischen den DC-Bus-Leitungen 135 zum
Schutz des Inverters 120 und der Leistungsquelle 140 verbunden.
Ein Drehmelder 160 (oder eine ähnliche Abtastvorrichtung oder
ein virtuelles Softwareäquivalent)
ist mit dem Motor 110 zum Messen der Rotorposition und Erfassen
der Drehzahl desselben gekoppelt. Ein Drehmelder/Digital-Wandler 165 wandelt
die Signale vom Drehmelder 160 in digitale Signale um und
versorgt den Prozessor 170 mit diesen digitalen Darstellungen
der Winkelposition und erfassten Drehzahl des Rotors des Motors 110.
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Der
Prozessor 170 enthält
eine Vorrichtung 172 zum Erzeugen eines drehmomentabhängigen Betriebssignals,
welche die digitalen Darstellungen der Winkelposition und erfassten
Rotordreh zahl sowie Stromsignale (Ia, Ib, Ic) von jeder
Phase 115 des Motors 110 empfängt. Die Vorrichtung 172 zum
Erzeugen eines vom Drehmomentbefehl abhängigen Betriebssignals modifiziert
die Phasenströme
(Ia, Ib, Ic) in Erwiderung auf ein Drehmomentregelsignal (Drehmomentbefehl
T*), um Betriebsstellsignale zur Versorgung des Inverters 120 mit
denselben zu erzeugen, wobei das Drehmomentregelsignal von einer übergeordneten
Regelung empfangen wird. Die Betriebsstellsignale sind Signale der
Hochfrequenz-Pulsweitenmodulation (PWM), welche zum Regeln des Pro-Zyklus-Durchschnitts,
der Ausgangsspannungsgröße, Phase
und Frequenz des Inverters 120 verwendet werden. Üblicherweise
arbeiten die Schalter 122, 123, 124, 125, 126, 127 des
Inverters 120 mit einer konstanten Schaltfrequenz, während das
jeweilige Tastverhältnis
der Schalter moduliert wird, um drei Phasenspannungen der erwünschten
Größen, Phase
und Frequenz zu erzeugen, um die Phasen 115 des Motors 110 mit
denselben zu versorgen.
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Der
Prozessor 170 nach der vorliegenden Ausführungsform
enthält
auch eine Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
zum Entladen des DC-Bus-Kondensators 145 beim Abschalten
der DC-Bus 135 durch eine passive Last, wobei die passive
Last die Motorwicklungen 115 des Motors 110 und
die Energieverluste des Inverters 120 enthält. Die
Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
erzeugt in Erwiderung auf das Empfangen eines vorbestimmten Entladesignals von
einer übergeordneten
Regelung Betriebsstellsignale zum Entladen einer passiven Last,
um einen Oberwellenstrom in den Motorwicklungen 115 zum Ableiten
der Energie von der DC-Bus 135 durch die passive Last in
Erwiderung auf das Erfassen des vorbestimmten Entladesignals zu
erzeugen. Die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
versorgt einen Ausgangshandler bzw. eine Ausgangshandhabungsvorrichtung
(output handler) 176 mit den Betriebsstellsignalen zum
Entladen einer passiven Last.
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Die
Vorrichtung 172 zum Erzeugen eines vom Drehmomentbefehl
abhängigen
Betriebssignals versorgt auch die Ausgangshandhabungsvorrichtung 176 mit
Betriebsstellsignalen. Die Ausgangshandhabungsvorrichtung versorgt üblicherweise
einen Ausgang des Prozessors 170 mit den Betriebsstellsignalen
von der Vorrichtung 172 zum Erzeugen eines vom Drehmomentbefehl
abhängigen
Betriebssignals. Die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines
Entladebetriebssignals versorgt die Ausgangshandhabungsvorrichtung 176 in
Erwiderung auf das Empfangen des vorbestimmten Entladesignals mit
einem Signal auf der Leitung 178, um die Betriebsstellsignale
von der Vorrichtung 172 zum Erzeugen eines vom Drehmomentbefehl
abhängigen
Betriebssignals zu sperren und stattdessen den Ausgang des Prozessors 170 mit
den Betriebsstellsignalen zum Entladen einer passiven Last von der
Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
zu versorgen.
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Durch
Regeln der Phasenströme
des Elektromotors 110 auf eine geregelte Amplitude durch
die Betriebsstellsignale zum Entladen einer passiven Last, welche
durch die Vorrichtungen 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
erzeugt werden, wird Energie von der DC-Bus 135 in die
Motorwicklungen 115 des Elektromotors 110 und
Inverterverluste der Motorsteuerschaltung 120 abgeleitet.
Da der Zweck der geregelten Phasenströme in den Motorwicklungen 115 (d.
h. der durch die Entladebetriebsstellsignale geregelten Phasenströme) das
Entladen des DC-Busses 135 ist, wird der Elektromotor 110 geregelt,
als ob er eine passive Last wäre,
so dass kein Drehmoment in demselben entwickelt wird. Auf diese
Weise wird der bestehende Schaltkreis (d. h. der Prozessor 170)
eingesetzt, um die Entladung des DC-Buses 135 durchzuführen, welche
den DC-Bus-Kondensator 145 enthält.
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In
Bezug auf 2 wird ein aktiver Schaltvektorraum
für den
Elektromotor 110 nach der vorliegenden Ausführungsform
als Sechseck 200 dargestellt, wobei jeder Bezugsausgangsspannungsvektor,
welcher innerhalb den Grenzen des Sechsecks 200 liegt,
auf einer Basis eines Pro-Zyklus-Durchschnitts durch eine Kombination
der Schaltraumvektoren erzeugt werden kann. Acht Schaltzustandsvektoren 202, 204, 206, 208, 210, 212, 214 und 216 stellen
die acht möglichen
Kombinationen der Zustände der
Inverterschalter 122, 123, 124, 125, 126, 127 dar, wobei
die drei Phasen-Nullleiter-Spannungen eine Summe von null ergeben.
Die Schaltzustandsvektoren 202, 204, 206, 208, 210 und 212 sind
aktive Zustände,
wie durch die Scheitel des Sechsecks 200 angezeigt, und
die Schaltzustände 214 und 216 sind Nullzustände. Während eines
aktiven Zustands wird eine Netzspannung an den Motor 110 angelegt;
während
eines Nullzustands, wird der Motor 110 effektiv kurzgeschlossen.
Das Einstellen des relativen Tastverhältnisses der aktiven Zustände und
Nullzustände kann
die erwünschte
Ausgangsspannung an die Last anlegen.
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Nach
der vorliegenden Ausführungsform setzt
die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
einen Oberwellenstrom basierend auf dem Entladeverfahren zum Entladen
der DC-Bus 135 ein, wenn das vorbestimmte Entladesignal
erfasst wird. Die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
leitet einen Oberwellenstrom in den Inverter 120 ein, um
die DC-Bus 135 durch die Motorwicklungen 115 des
Motors 110 durch Betätigung
der Spannungsvektorpaare 202/208, 204/210, 206/212, 214/216 zu
entladen.
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Durch
Erzeugen der Entladebetriebsstellsignale in Erwiderung auf die Vektorpaare 202/208, 204/210, 206/212, 214/216 leitet
die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
vorteilhafter Weise einen Oberwellenstrom in den Inverter 120 zum
Entladen des DC-Busses 135 ohne das Erfordern jeglicher
Informationen ein, welche die Rotorposition der Last des Mo tors 110 betreffen,
(d. h. ohne die abgetasteten Ströme
Ia, Ib, Ic oder jegliche Informationen (z. B. θr oder ωr) vom Signal vom Drehmelder/Digital-Wandler 165 zu
erfordern).
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3 veranschaulicht
ein Schaltvektorschema 300 zur Erzeugung der Entladebetriebsstellsignale
durch die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
nach der vorliegenden Ausführungsform.
Wie oben angegeben, kann das Einstellen des relativen Tastverhältnisses
der aktiven Zustände
und Nullzustände
eine erwünschte
Ausgangsspannung an die passive Last (d. h. den Motor 110)
anlegen. Angemessene Schaltfolgen werden Nullvektoren aus Kombinationen
der aktiven Schaltvektoren erzeugen. Beispielsweise wird eine Folge, welche
den Vektor V1 202 und Vektor V4 208 mit identischen
Tastverhältnissen
verwendet, eine Durchschnittsspannung von null über einem Schaltzyklus erzeugen
während
sie einen Oberwellenstrom im Motor 110 erzeugt, da die
an den Motor 110 angelegte Spannung auf einer Momentanbasis
nicht null beträgt.
Für Dauermagnetmotoren 110 funktioniert das
Einleiten eines Oberwellenstroms durch Erzeugen von Entladebetriebssignalen
mit einer vorbestimmten Schaltfolge und einem vorbestimmten Tastverhältnisses
nach der vorliegenden Ausführungsform
bei einer Drehzahl von null und geringen Drehzahlen gut. Für Induktionsmotoren 110 funktioniert das
Einleiten des Oberwellenstroms durch Erzeugen solcher Entladebetriebsstellsignale
während
des gesamten Drehzahlbereiches für
die Induktionsmotoren 110 gut.
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Das
Schaltvektorschema 300 ist ein beispielhaftes Schema, welches
die Schaltfolgen 302, 304, 306 zum Erzeugen
von Nullvektoren aus den Kombinationen 202/208, 210/204, 206/212 der
aktiven Schaltvektoren V1 202,
V2 204, V3 206,
V4 208, V5 210,
V6 212 zum Induzieren eines Oberwellenstroms in
den Motor 110 einsetzt. Durch den Motor 110 wird kein
Durchschnittsdrehmoment erzeugt, wenn das Schaltvektorschema 300 zum
Erzeugen der Entladebetriebsstellsignale verwendet wird. Der kein
Drehmo ment erzeugende Oberwellenstrom im Motor 110 erzeugt
Systemverluste in den Motorwicklungen 115 und dem Inverter 120,
welche das Entladen des DC-Bus-Kondensators 145 ohne das
Erfordern von Widerstandselementen ermöglichen.
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Folglich
weist das Schaltvektorschema 300 ein vorbestimmtes Tastverhältnis auf,
welche die vorbestimmten Schaltfolgen 302, 304, 306 enthält. Die sechs
aktiven Schaltvektoren V1 202,
V2 204, V3 206, V4 208, V5 210,
V6 212 sind in drei Vektorpaare
aus jeweils zwei aktiven Schaltvektoren 202/208, 210/204, 206/212 unterteilt,
wobei die zwei aktiven Schaltvektoren aller drei Vektorenpaare in
allen vorbestimmten Schaltfolgen 302, 304, 306 eine
Summe von null ergeben. Die Schaltfolgen 302, 304 und 306 können in
jeder Reihenfolge oder Kombination derselben angewendet werden.
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Die
Größe des durch
das Schaltvektorschema 300 erzeugten Oberwellenstroms hängt von
der Frequenz des Tastverhältnisses 302, 304, 306 sowie der
Spannung des DC-Busses 135 und der Induktanz des Elektromotors 110 mit
der Welligkeitsfrequenz ab. Die Induktanz des Elektromotors 110 ist
mit einer höheren
Frequenz üblicherweise
ausreichend gering, so dass eine Erregerfrequenz (d. h. eine vorbestimmte
Tastverhältnisfrequenz)
von zwischen zehn und zwölf
Kilohertz (10 kHz und 12 kHz) verwendet werden kann.
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In
Bezug auf 4 wird ein Ablaufplan 400 der
Betätigung
der Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
des Elektromotorsystems 100 nach der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wenn das vorbestimmte Entladesignal
von der übergeordneten
Regelung erfasst wird 402, werden Entladebetriebssignale
in Erwiderung auf die Vektorpaare 202/208, 204/210, 206/212, 214/216 erzeugt 404,
um den Oberwellenstrom in die Motorwicklungen 115 einzuleiten,
wie oben erörtert wurde.
Folglich wird der Oberwellenstrom durch die Vorrichtung 174 zum
Erzeugen eines Entladebetriebssignals eingesetzt, um den DC-Bus 135 während einer
Abschaltfolge aktiv zu entladen, welche durch die übergeordnete
Regelung initiiert wird, welche die Vorrichtung 174 zum
Erzeugen eines Entladebetriebssignals mit dem vorbestimmten Entladesignal
versorgt.
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Die
Ausgangshandhabungsvorrichtung 176 wird mit den Entladebetriebssignalen
zusammen mit einem Signal 408 auf der Leitung 178 versorgt 406, um
der Ausgangshandhabungsvorrichtung 176 zu signalisieren,
den Fluss der Betriebsstellsignale von der Vorrichtung 172 zum
Erzeugen eines vom Drehmomentbefehl abhängigen Betriebssignal zu sperren und
stattdessen den Ausgang des Prozessors 170 mit den Entladebetriebssignalen
von der Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
zu versorgen. Die Versorgung mit den Entladebetriebssignalen vom
Ausgang des Prozessors 170 hält unter der Regelung des Signals
an, mit welchem die Ausgangshandhabungsvorrichtung im Schritt 408 versorgt
wird, bis die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
das vorbestimmte Entladesignal nicht länger erfasst 402.
Wenn das vorbestimmte Entladesignal nicht erfasst wird 402,
hört die Vorrichtung 174 zum
Erzeugen eines Entladebetriebssignals auf 410, die Ausgangshandhabungsvorrichtung
auf der Leitung 178 mit dem Signal zu versorgen, und lässt dadurch
zu, dass der Prozessor 170 die Betriebsstellsignale von
der Vorrichtung 172 zum Erzeugen eines vom Drehmomentbefehl
abhängigen
Betriebssignals am Ausgang des Prozessors 170 liefert bzw.
bereitstellt.
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In
Bezug auf 5 zeigt ein Graph 500 der Entladung
des DC-Busses 135 durch
die Vorrichtung 174 zum Erzeugen eines Entladebetriebssignals
eine Entladedauer 502 bei einer geringen Drehzahl für einen
Motor 110, wie beispielsweise ein Innendauermagnetmotor,
nach der vorliegenden Ausführungsform.
Die gemessene Entladedauer beträgt
ca. fünfundvierzig
Millisekunden (45 ms), eine Entladedauer, welche etwas langsamer
als die meisten aktiven Entladeverfahren ist, wie beispielsweise
das Entladen des DC-Busses 135 mit einem dedizierten Schaltkreis,
welcher einen ziemlich großen
Widerstand oder ein anderes Widerstandselement enthält. Zwar wird
ein Entladeschema geliefert, welches langsamer als übliche aktive
Entladeverfahren sein kann, aber die Implementierung einer Entlademethodik
nach der vorliegenden Ausführungsform
liefert auf vorteilhafte Weise jedoch eine Einrichtung zum Entladen
des DC-Busses 135 ohne das Erfordern einer separaten Entladeschaltung,
eines separaten Widerstandselement und von Wissen über die
Position des Drehmelders 160 oder Drehzahlinformationen
oder die Phasenströme
des Motors 110.
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Zwar
wurde zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorangehenden
detaillierten Beschreibung dargelegt, aber es sollte eingesehen werden,
dass eine große
Anzahl an Variationen besteht. Es sollte auch eingesehen werden,
dass die beispielhafte Ausführungsform
oder die beispielhaften Ausführungsformen
nur Beispiele sind und den Bereich, die Anwendbarkeit oder Konfiguration
der Erfindung keineswegs beschränken
sollen. Die vorangehende detaillierte Beschreibung wird Fachmännern eher
einen zweckmäßigen Plan
zum Implementieren der beispielhaften Ausführungsform oder beispielhaften
Ausführungsform
oder beispielhaften Ausführungsformen
liefern. Es sollte klar sein, dass verschiedene Veränderungen
an der Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne
vom Bereich der Erfindung abzuweichen, der in den beiliegenden Ansprüchen und
rechtmäßigen Äquivalenten
derselben dargelegt ist.