DE2246257A1

DE2246257A1 - Schaltungsanordnung fuer einen einoder mehrphasigen wechselrichter

Info

Publication number: DE2246257A1
Application number: DE19722246257
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Kahlen
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1972-09-21
Filing date: 1972-09-21
Publication date: 1974-03-28
Also published as: CH561478A5; SE388085B; FR2200674A1; GB1448493A; FR2200674B3; DE2246257C2; IT993303B

Description

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■Mp.-Nr.. 598/72 Mannheim, den 25.8.1972

PAT- Μη/StV

"Schaltungsanordnung für einen ein- oder mehrphasigen Wechsel- ' . richter»

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen selbstgeführten einphasigen, aus einem über"eine Steuereinrichtung ansteuerbaren Teilsteller bestehenden Wechselrichter, der Thyristoren, Stromdioden und wenigstens eine Saugdrossel enthält - sowie auf einen mehrphasigen,.selbstgeführten, aus mehreren über eine Steuereinrichtung an steuerbaren Teilstellern bestehenden Wechselrichter.

Eine derartige Schaltungsanordnung dient zur Speisung von Wechselstrom- oder Drehstromverbrauchern mit vorgebbarer Frequenz. Eine besonders wichtige Anwendung für derartige Schaltungsanordnungen besteht in der Speisung von Drehstrommotoren aus einem Gleichstromnetz bzw. einem Gleichstromzwischenkreis.

Es sind bisher schon verschiedene Arten von Wechselrichterschaltungen bekannt geworden. Diese bekannten Wechselrichterschal- ^ tungen bestehen aus ein, zwei oder drei Teilschaltungen ent- j sprechend der verwendeten Phasenzahl. Jede Teilschaltung (Phase)! besteht dabei aus zwei Thyristoren, wobei ein Thyristor die Steuerung eines Stromflußes vom Pluspol der Spannungsquelle in den Verbraucher und der zweite Thyristor die Steuerung eines Stromflußes vom Verbraucher zum Minuspol der Gleichspannungsquelle ermöglicht. Wenn ein induktiver Verbraucher gespeist wird, wie es bei Drehstrommotoren beispielsweise der Fall ist,

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so sind noch antiparallel zu den Thyristoren geschaltete Strom-¹ dioden vorzusehen. Diese Rückstromdioden können unmittelbar oder über eine Drossel parallel zu den betreffenden Thyristoren geschaltet werden. Fig. 1 zeigt schematisch eine entsprechende Ausführung eines dreiphasigen Wechselrichters. Zwischen dem Pluspol 1 und dem Minuspol 2 der Gleichspannungsquelle U_ß sind parallel zueinander je zwei in Reihe geschaltete Teilsteller S₁, S₂ bzw. S^,S^ bzw. Sc,Sg angeordnet, wobei· jedem Teilsteiler S₁JSPfS-ZjSr₁Sc₁

₂ bzw. S^,S^ bzw. Sc,

₁JSPfS-ZjSr₁Sc₁Sc je eine Rückstromdiode D₁ bzw. D₂ bzw. D* bzw. D^ bzw. D,- bzw. Dg antiparallel geschaltet ist. Am Verbindungspunkt von S mit S₂ bzw. S^ mit S^ bzw. Sc mit Sg liegen die Anschlüsse zu den Phasen R bzw. S bzw. T des Drehstromverbrauchers. Die· nachfolgenden Erklärungen für die Teilsteller S₁ und S₂ sollen entsprechend für S, und S^ bzw. Sc und Sg gelten, die gleichartig aufgebaut sind und gleichartig funktionieren. Die Thyristoren T₁ oder T₂ eines jeden Wechselrichterteils in Fig. 1 werden derart gesteuert,; daß entweder Thyristor T₁ oder T₂ den Laststrom führt. Die KommutierungseinrichtungenK₁ und K₂ löschen die Thyristoren T₁ bzw. T₂, so daß bei induktiver Last die Rückstromdioden D₁ und D₂ den Strom übernehmen. Die KommutierungseinrichtungenK,,, K₂ bestehen im einfachsten Fall aus einem Kondensator, einem HiIfsthyristör ! und einer Umschwingschaltung, die nach dem Löschen der Thyris- j toren die richtige Polarität des Kondensators wieder herstellt.

Für einen Wechselrichter, dessen Phasen in beliebiger Folge unabhängig von den anderen Phasen geschaltet werden kann (hau- j fig als Pulswechselrichter bekannt), können die Kommutierungs- \ einrichtungen K₁ und K₂ auch derart kombiniert werden, daß j einzelne Bauelemente entfallen. Die Kondensatoren und die Hilfsthyristoren müssen aber immer für den größten Laststrom ausgelegt sein.

Nachteilig ist, daß bei dem hier beschriebenen Prinzip eines Wechselrichters die Phasen R, S, T- abgesehen von transienten ι Zuständen - nur die Potentiale +U_ß oder -U_ß annehmen können.

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Zur Vermeidung von stärkeren Stromschwankungen wird eine hohe Pulsfrequenz angestrebt. Nachteilig ist, daß bei hoher Pulsfrequenz auch hohe Schaltverluste auftreten. Die auftretenden Potentialsprünge verursachen in den Maschinen Eisenverluste.

Zur Verringerung'der Potentialsprünge und der Schaltverluste sind deshalb Wechselrichterschaltungen bekannt geworden, bei denen zwei Teilwechselrichter über eine Saugdrossel miteinander verbunden sind. An der Mittelanzapfung der Saugdrossel entsteht nun beim Einschalten eines Teilstellers nur noch der Potentialsprung U-n/2, Damit können die Induktivitäten im Lastkreis verringert werden, die zur Glättung des Stromes notwendig sind.

Ein Nachteil der genannten Wechselrichterschaltung ist, daß jeder Hauptthyristor der Teilsteller mit einer Kommutierungseinrichtung versehen werden muß und daß damit der Aufwand an Kondensatoren und Hilfsthyristoren groß wird.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Nachteile an einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu vermeiden und eine Schaltungsanordnung zu schaffen, welche die Vorteile eines j Wechselrichters in Saugdrosselschaltung mit denen einer einfachen Kommutierungseinrichtung verbindet.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,.daß der Teilsteller einpolig mit dem einen Pol der Gleichstromquelle verbundene,: in Durchlaßrichtung gepolte, aus jeweils zwei in Reihe miteinander geschalteten Hilfsthyristoren bestehende Zweige enthält, denen jeweils ein ihnen zugeordneter Hauptthyristor parallel geschaltet ist, daß die Kathoden der beiden Hauptthyristoren über die Saugdrossel miteinander verbunden sind, daß ein dem Zweigmittelpunkt beider Zweige zugeordneter .Blindwiderstand vorgesehen ist, über welchen die beiden Zweigmittelpunkte miteinander verbindbar sind, wobei der Wechselstrom zwischen der Mittelanzapfung -der Saugdrossel und einem Pol· der Gleichspannungsquelle abgreifbar ist (Fig.2). ; ■ - -^: , r

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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß als der den Zweigen zugeordnete Blindwiderstand ein Kondensator vorgesehen ist, daß zwischen Minuspol und den beiden Anschlußklemmen der Saugdrossel Jeweils eine Rückstromdiode angeordnet ist und daß jeder Kondensatorpol über einen Widerstand mit einem Pol der Gleichspannungsquelle verbindbar ist.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist auch eine Anwendung für drei oder mehrphasige Schaltungen möglich. Dies wird dadurch erreicht, daß für jede Phase zwei gleichstromseitig in ReI he geschaltete Teilsteller vorgesehen sind, und daß jedem Zweig jedes Teilstellers jeweils eine Rückstromdiode zugeordnet ist.

Bei diesem Anwendungsfall wird jeder Teilsteller periodisch geschaltet und die Thyristoren jeder Polarität werden um eine halbe Periodendauer versetzt angesteuert. Vorzugsweise können die beiden Teilsteller für jede Phase unmittelbar in Reihe geschaltet werden, wobei parallel zu den Einzelzweigen Rückstromdioden vorgesehen sind und als Blindwiderstand jeweils ein Reihenschwingkreis vorgesehen ist.

Vorteilhaft ist es aber auch, beide Teilsteller einer Phase über angezapfte Drosseln miteinander zu verbinden, wobei die Anzapfungen beider Drosseln über eine Saugdrossel miteinander verbunden und als Blindwiderstände jeweils ein Kondensator vorgesehen ist.

Für jede Phase sind zwei dieser in Reihe geschalteten Teilsteller vorzusehen, so daß beispielsweise für ein Dreiphasensystem drei parallel zum Gleichstromkreis geschaltete, aus jeweils zwei;

in Reihe geschalteten Teilstellern bestehende Einrichtungen, die über eine Steuereinrichtung periodisch ansteuerbar sind, 'benötigt werden. "

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Es hat sich weiterhin gezeigt und als vorteilhaft erwiesen, daß es möglich ist, die Hauptthyristoren fortzulassen und die Hilfsthyristoren der Einze.lzweige jedes Teilstellers so auszulegen, daß sie den Laststrom führen können, wobei die Hilfsthyristoren eines Einzelzweiges synchron gezündet werden müssen, um den dem gezündeten Hauptthyristor entsprechenden ,Stromfluß bei den beiden Hilfsthyristoren zu erzielen. Hierbei würde die Zahl der Bauelemente etwas herabgesetzt. Die Erfindung wird anhand von schematischen Schaltungsanordnungen näher erläutert. Es zeigen . " ■ · Fig. 2 eine Schaltungsanordnung für einphasigen Wechselstrom,

Fig. 3 zwei einer Phase zugeordnete Teilsteller mit Kommutierungsreihenschwingkreis,

Fig. 4 zwei über Drosseln miteinander verbundene Teilsteller mit Kommutierungskondensator,

Fig. 5 eine Schaltungsanordnung wie in Fig. 3, jedoch ohne Anwendung von Hauptthyristoren,

Fig. 6 eine Schaltungsanordnung wie in Fig. 4, jedoch ohne Anwendung von Hauptthyristoren. .

Gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion haben gleiche Bezugszeichen. Die Schaltungsanordnungen der Fig. 3, 4, 5 und 6 zeigen jeweils die Schaltungsanordnung für eine einzige Phase, nämlich die Phase R. Den Phasen S und T zugeordnete Wechselrichter sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mit eingezeichnet worden. In Fig. 2 ist zwischen dem Pluspol 1 und dem Minuspol 2 der 'Gleichspannungsquelle Ug der Hauptthyristor T^ und der aus den Hilfsthyristoren T₅, Τλ bestehende Einzelzweig zum einen mit dem Pluspol 1 und zum anderen mit einem Anschluß der Saugdrossel Lg verbunden, während der andere Anschluß der Saugdrossel Lg einpolig mit dem Hauptthyristor Tp und dem dazu parallel geschalteten Einzelzweig mit den Thyristoren T₅ und T₆ verbunden ist, die andererseits ebenfalls mit dem Pluspol 1 verbunden sind.

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Zwischen den Mittelpunkten 5 und 6 der Einzelzweige T^, Τλ bzw. T^, Tg ist ein Kondensator C₁ angeordnet, der an einem Pol über j R₁ mit dem Pluspol 1 und dessen anderer Pol über Rp mit dem Minuspol 2 verbunden ist. Der Minuspol 2 ist über Rückstromdioden D^¹ !

und D₂ mit den Enden der Saugdrossel Lg verbunden. Die Mittelanzapfung 3 der Saugdrossel Lg führt über den Verbraucherwiderstand Z zum Minuspol 2.

Durch gemeinsames Zünden der Hilfsthyristoren T^ und Tr wird der Kondensator C aufgeladen. Der Ladestrom fließt von Pluspol 1 der Gleichspannungsquelle U_ß über Hilfsthyristör 4, Kondensator C₁, Hilfsthyristor Tg, Saugdrossel Lg, Verbraucherwiderstand Z zum Minuspol. Vor Inbetriebnahme des Wechselrichters wird der Kondensator C₁ über zwei hochohmige Widerstände R₁ und Rp aufgeladen. Nun kann der Hauptthyristor T₁ gezündet werden. Die Saugdrossel Lg erzwingt nun eine Stromaufteilung derart, daß der halbe Laststrom I-, durch den Hauptthyristor T.. und der halbe Laststrom durch die Rückstromdiode D₂ ¹ fließt. Der Hauptthyristor!

₁ muß gelöscht werden, wenn der zulässige Spulenfluß der verwendeten Saugdrossel Lg erreicht ist. Durch Zünden der Hilfsthyristoren T,, T- wird die Spannung am Kondensator C. als Sperrspannung an den Hauptthyristor T₁ gelegt. Damit kommutiert der Strom von Hauptthyristor T₁ auf den Löschkreis T₅₁C₁₁T-,. Da nur der halbe Laststrom gelöscht werden muß, ist der Kondensator

₁ auch nur für den halben Strom auszulegen.

Der Löschvorgang ist beendet, wenn die Rückstromdiode DJ den Strom übernimmt. Durch den Laststrom wird der Kondensator C umgeladen, so daß er am Ende des Löschvorganges"auf U„ = - U_ß aufgeladen ist. Wenn Hauptthyristor T₂ gezündet wird, so kann er in analoger Weise durch Zünden der Hilfsthyristoren T^ und Tg gelöscht werden, da nun die Spannung an Kondensator C₁ = -Ug als Sperrspannung am HauptthyristorT₂ liegt. Damit wird der Strom von Hauptthyristor T₂ auf den Löschkreis T^,C₁,Tg kommutiert. Am Ende der Löschung übernimmt die Rückstromdiode Dp¹' den Strom und der Kondensator ist wieder auf U_ß aufgeladen. Der Hauptthyristor Tp kann ebenso gezündet werden, wenn Hauptthyristor

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noch nicht gelöscht worden ist. Notwendig ist nur die !Löschung des Hauptthyristors T^ vor der Löschung des Thyristors T_?, da mit dem Loschvorgang der Kondensator Cj mit umgekehrter Polarität aufgeladen wird. ■

In Fig. 3 sind zwischen Pluspol 1 und Minuspol 2 zwei Teilsteller in Reihe geschaltet, von denen der eine aus den beiden Einzelzweigen Τν-,Τ^ bzw. Τ-, Tg besteht, die einpolig mit d^m Plus- |pol 1 verbunden sind, deren Mittelpunkte 7,8 durch den Reihenjschwingkreis L^,C^ miteinander verbunden sind, und deren' zweiter iPol über die Saugdrossel Lg miteinander verbunden ist, wobei jbeiden Einzelzweigen T^, T^ bzw. T-, Tg jeweils ein Hauptthyristc !T,, bzw. Tp parallel und eine Rückstromdiode D,, bzw. Dp antijparallel geschaltet ist, während der andere Teilsteller aus den Einzelzweigen T,VV bzw. TcS Tg¹ besteht, die einpolig mit . dem Minuspol 2 verbunden sind, deren Mittelpunkte 9,1 ο mit dem Reihenschwingkreis L. SC^¹ miteinander verbunden sind und die andererseits ebenfalls mit der Saugdrossel L« verbunden sind, wobei auch ihnen jeweils ein Hauptthyristor T^' bzw. Tp¹ parallel und Rückstromdioden D^' bzw* Dp¹ antiparallel geschaltet sind. Der Drehstrom für die Phase R kann an der Mittelanzapfung der Saugdrossel Lg abgenommen werden. Entsprechend Zierden für die Phasen S und T analoge, an die Gleichstromquelle U_ß angeschlossene Schaltüngsanordnungen vorgesehen, deren Thyristoren zyklisch von einer Steuereinrichtung beaufschlagt werden. Beim Zünden der Hilf sthyristoren T-* und T^ fließt ein Strom über den Kondensator C], die Kommutierungsdrossel Lv,, die Hilf sthyristoren T^, T- und die Rückstromdiode D^. Die Drossel L^ bildet mit dem Kondensator C, einen Reihenschwingkreis, so daß ein sinusförmiger

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Stromimpuls fließt. Dieser Löschstrom kommutiert stetig den Strom des Hauptthyristors T₁. Der Teil des Löschstroms, der größer ist als der Laststrom des Hauptthyristors T^ fließt über die Rück-¹ stromdiode D^. . ■

In Fig. 4 sind die Mittelpunkte 1o,11 der Einzelzweige T₇,T^ bzw ^T5'^T6 ^üt>er einen Kondensator C₁ miteinander verbunden, ebenso die der Einzelzweige T₃S T4¹ *>zw. T₅STg¹ über C, S Beide Teilstellei

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sind über eine Induktivität L₁ bzw. L₂ miteinander in Serie ge- i schaltet, wobei Anzapfungen an den Drosseln L₁ und Lp über die I Saugdrossel L_s miteinander verbunden sind. Ebenso sind die Rückstromdioden D,,,D₉,D₁',D₉' durch die Induktivitäten L₁ bzw. L₉ mit den ihnen zugeordneten Zweigen T^, Tr bzw. Tc» Tr bzw.

T^', T/ ' bzw. Τ,-¹, T/-' miteinander verbunden. Die Funktion ist 3 4 5 ο

analog wie bei Fig. 3. Beim Löschen liegt hier wieder die volle Kondensatorspannung als Sperrspannung an dem betreffenden Hauptthyristor. Der Strom, der beim Löschen über die Rucks,tromdioden fließt, wirddurch die Drosseln L₁ und L₂ begrenzt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Thyristoren T₁, T₂ bzw. T₁ ', T₂' bei vollem Laststrom nicht gleichzeitig Strom führen. In diesem Fall können die Thyristoren T₁, Tp, T₁STp¹ entfallen und durch die Reihenschaltung ihrer parallelen Hilfsthyristoren T₃, T^ bzw. T₅, Tg bzw. T₅ ¹, T^¹ bzw. Tr-¹, Tg' ersetzt werden. Werden z.B. anstelle des Hauptthyristors T₁ die Hilfsthyristoren T·,, T^ gezündet» so führen sie den Strom. Durch Zünden des Hilfsthyristors 5 kann mit der Spannung an Kondensator C₁ der Hilfsthyristör 4 gelöscht werden. Der Hilfsthyristör 3 verlöscht, wenn der Kondensator auf -Un aufgeladen ist und die Diode D₁' den Strom übernimmt. Mittels Hilf s thyristor T,- kann Hilf sthyri stör Tg oder zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt auch Tp- und Tg gezündet werden.

Wenn die Einschaltdauer der Hilfsthyristoren T^₁ T^ größer ist als es der maximale Spulenfluß der Saugdrossel Lg zuläßt, so erreicht der Magnetkern seine Sättigung und die transformatorische Wirkung wird aufgehoben. Die Mittelanzapfung 3 (Fig. 2) nimmt dann das Potential +IL· an. Wenn der Kondensator nur zur Löschung des halben maximalen Laststroms ausgelegt worden ist, so darf bei gesättigter Saugdrossel Lg auch nur der halbe maximale Laststrom in den Thyristoren fließen, damit die Löschfähigkeit der Schaltung noch gewahrt bleibt. Die Schaltung eignet j sich damit für Anwendungsfälle, wo bei niedriger Ausgangsspan- ^l nung ein hoher Laststrom und bei voller Ausgangsspannung ein verminderter Laststrom fließt (hoher Überlastbereich bei Asyn-

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chronmaschinen) oder wenn "bei höheren Spannungen die Kommutierung vom Lastkreis erfolgt (Betrieb von Synchronmaschinen).

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Claims

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Patentansprüche

Schaltungsanordnung für einen selbstgeführten einphasigen, aus einem über eine Steuereinrichtung ansteuerbaren Teilsteller bestehenden Wechselrichter, der Thyristoren» Strom dioden und wenigstens eine Saugdrossel enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilsteller zwei einpolig mit dem einen Pol der Gleichstromquelle verbundene, in Durchlaßrichtung gepolte, aus jeweils zwei in Reihe miteinander j geschalteten Hilfsthyristoren bestehende Zweige enthält, j denen jeweils ein ihnen zugeordneter Hauptthyristor parallel geschaltet ist, daß die Kathoden der beiden Hauptthyrls- j toren über die Saugdrossel miteinander verbunden sind, daß j ein dem Zweigmittelpunkt beider Zweige zugeordneter Blind- ι widerstand vorgesehen ist, über welchen die beiden Zweig- j mittelpunkte miteinander verbindbar sind, wobei der Wech- . selstrom zwischen der Mittelanzapfung der Saugdrossel und j einem Pol der Gleichspannungsquelle abgreifbar ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als der den Zweigen zugeordnete Blindwiderstand : ein Kondensator vorgesehen ist, daß zwischen Minuspol und ! den beiden Anschlußklemmen der Saugdrossel jeweils eine \ Rückstromdiode angeordnet ist und daß jeder Kondensatorpol über einen Widerstand mit einem Pol der Gleichspannungs- ι quelle verbindbar ist.

Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 für einen mehrphasigen, selbstgeführten, aus mehreren über eine Steuereinrichtung ansteuerbaren Teilstellern bestehenden Wechselrichter, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Phase zwei gleichstromseitig in bei geschaltete Teilsteller vorgesehen sind, und daß jedem Zweig jedes Teilstellers jeweils eine Rückstromdiode zugeordnet ist.

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4.' Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einander zugeordnete Zweige der beiden T.eilsteller unmittelbar miteinander verbunden, d.h. in Reihe geschaltet sind, daß als Blindwiderstand jedem Teilsteller ein aus einer Induktivität und einem Kondensator bestehender Reihenschwingkreis zugeordnet ist, und daß die Saugdrossel jeweils zwischen dem Mittelpunkt jedes der beiden parallelen, aus den in Reihe geschalteten Einzelzweigen der einzelnen Teilsteller bestehende Zweige angeordnet ist, wobei der einer bestimmten Phase zugeordnete Wechselstrom an der Saugdrosselanzapfung entnehmbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß einander zugeordnete Zweige der beiden Teilsteller jeweils über eine angezapfte Drossel in Reihe geschaltet sind, daß die Anzapfungen der beiden Drosseln über eine Saugdrossel miteinander, verbindbar sind, wobei der einqr bestimmten Phase zugeordnete Wechselstrom an der Saugdrosselanzapfung entnehmbar ist, daß die jedem Einzelzweig eines einzigen Teilstellers zugeordneten Rückstromdioden ein-

polig über jeweils über eine Drossel dem betreffenden Zweig' antiparallel geschaltet sind, und daß als den Einzelzweigen jedes Teilstellers zugeordneter Blindwiderstand ein Kondensator vorgesehen ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß den aus den Hilfsthyristoren gebildeten Einzelzweigen kein Hauptthyristor zugeordnet istj daß die Hilfsthyristoren für die Führung <fes Ausgangswechselstroms ausgelegt sind, daß die Hilfsthyristoren jedes Einzelzweiges jedes Teilstellers synchron zündbaf sind und daß der Stromfluß durch einen Einzelzweig eines Teilstellers durch Zünden eines Hilfsthyristors im Einzelzweig des anderen Teilstellers löschbar ist.

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