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Symmetrierung seinrichtung für ein Drehstromnetz Die Erfindung betrifft
eine Symmetrierungseinrichtung ftir ein Drehstromnetz, das durch einen unsymmetrischen
Verbraucher belastet ist.
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Ein unsymmetrischer Verbraucher, also eine Schieflast oder eine einphasige
Last wie z.B. ein Lichtbogen-Schmelzofen, belastet die einzelnen Stränge eines Drehstromnetzes
ungleichmäßig mit Laststrom. Das führt dazu, daß das Drehstromnetz bei vorgegebener
Leistung der einspeisenden Generatoren nicht in demselben Maße belastet werden kann'wie
beim Anschluß eines symmetrischen Verbrauchers. Man ist bestrebt, trotz des Anschlusses
eines solchen unsymmetrischen Verbrauchers im Drehstromnetz weitgehend symmetrische
Leiterströme zu erhalten und somit eine hohe Belastbarkeit zu gewährleisten.
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Daneben ist man aber auch bemüht, im Interesse einer guten Wirkleistungsübertragung
den Leistungsfaktor des Drehstromnetzes möglichst groß zu machen, also die Blindbelastung
durch den Verbraucher weitgehend zu kompensieren. Es ist zu erwarten, daß in Zukunft
die Anforderungen an die Größe des Leistungsfaktors wachsen werden, d.h. daß ein
Leistungsfaktor sehr nahe beim Wert 1 im Drehstromnetz gefordert werden wird.
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Das von einem unsymmetrischen Verbraucher im Drehstromnetz hervorgerufene
Stromsystem läßt sich in ein symmetrisches mitläufiges und in ein symmetrisches
gegenläufiges Stromsystem zerlegen. Wird ein entsprechendes Mitstromsystem in das
Drehstromnetz eingespeist, so läßt sich die durch den Verbraucher bedingte Phasenblindleistung
kompensieren. Durch Einspeisung eines entsprechenden Gegenstromsystems läßt sich
die Unsymmetrieleistung kompensieren.
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Auf dieser Überlegung beruht eine bekannte Anordnung aus zwei rotierenden
Einrichtungen, mit welcher sich bei Anschluß eines beliebigen unsymmetrischen Verbrauchers
an ein Drehstromnetz gleichzeitig eine Blindleistungskompensstion und eine Symmetrierung
des Drehstromnetzes erzielen läßt.
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Die erste rotierende Einrichtung dieser Anordnung sorgt für die Blindleistungskompensation.
Sie besteht aus einer an dss Drehstromnetz angeschlossenen konventionellen ersten
Synchronmaschine, welche als Phasenschieber arbeitet. Sie sp@ist in Abahängigkeit
ihrer Erregung die Blindstromkomponente den Mitstromsystems und damit die zur Kompensation
benötigt. Blindleistung (Phasenblindleistung) in das Drehstromnetz ein.
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Die zweite rotierende Einrichtung dieser Anordnung sorgt für die Symmetrierumg
der Leiterströme im Drehstromnetz. Sie wird daher im folgenden als Symmetrierungseinrichtung
bezeichnet.
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Die Symmetrierungseinrichtung besteht aus einer @benfalls konventionellen
zweiten Synchronmaschine. Diese zweite Synchronmaschine besitzt zwei senkrecht zueinander
stehende, rotierende Erregerwicklungen, welche getrennt gespeist werden. Die Läufer
beider Synchronmaschinen sind starr miteinander gekuppelt. Die Ständerwicklung der
zweiten Synchronma@chine ist mit vertauschter PhaseRfolge mit der Ständerwicklung
der ersten Synohronmaschine in Reihe an das Drehstromnetz geschaltet (ETZ-A, Band
89 (1968), Heft 10, Seiten 245 und 246), Über die zweiachsige Erregung der zweiten
Synchronniaschine wird das nach Betrag und Phasenfolge vom Drehstromnetz benötigte
Gegenatromsystem aufgebaut und somit die zur Koipensatiön erforderliche Unsymmetrieleistung
geliefert. - Die Begriffe "Phasenblindleistung" und "Unsymmetrieleistung" sind bei
H.
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Fack "Scheinleistung in Drehstromsystemen", Beiheft der ETZ, 1967j
Heft 1, ausführlich erläutert.
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Bs ist weiterhin bekannt, ganz allgemein an Stelle einer rotierenden
Einrichtung fUr die PhasenblindlaiBtuagaabgabe, also an Stelle eines rotierenden
Phasenschiebers, eine ruhende Einrichtung in Gestalt eines Blindleistungs-Stromrichter@
zu verwendungen (ETZ-A, 1966, Heft 18, Seiten 649 bis 6581 Ch.
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Frege, "Blindleistungsstromrichter", Dissertation TK Braunschweig,
1959; Zeitschrift E.u.M., Jahrgang 84, Heft 3, Seiten 99 bis 112; W. Forstbauer,
"Der Konstantspannungsumrichter als Einrichtung zur Blindleistungskompensation",
Dissertation TH Aachen, 1972).
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Ein solcher Blindleistungs-Stromrichter kann als elektronischer Phasenschieber
bezeichnet werden. Er arbeitet z.B. nach dem Prinzip des selbstgeführten Stromrichters
und kann dabei ausgangsseitig über Kondensatoren kurzgeschlossen sein. Wenn seine
Oberschwingungen im Netzstrom wie üblich durch Filterkreise kompensiert werden,
läßt sich die Grundschwingungablindleistung als Phasenblindleistung über den Steuerwinkel
des Blindleistungs-Stromrichters beliebig einstellen. Die mit -der Einstellung verbundene
Kompensation der Blindleistung des Mitstromsystems läßt sich praktisch trägheitslos,
auf jeden Fall aber viel schneller durchführen als bei einem rotierenden Phasenschieber,
z.B. innerhalb einer Periode der Netzfrequenz.
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Weitere Vorzüge, wie geringe Verluste und wartungsarmer Betrieb, haben
die Bedeutung des elektronischen Phasenschiebers in letzter Zeit spdrbar-vergrößert.
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Während es also ruhende elektronische Phasenchieber in Form.
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von Blindleistungs-Stromrichtern als Ersatz für rotierende Blindleistungsmaschinen
schon seit langem gibt, ist eine ruhende Symmetrierungseinrichtung, welche ein Gegenstromsystem
in das unsymmetrische Drehstromnetz einapeist, bisher nicht bekannt geworden. Ruhende
Symmetrierungseinrichtungen mit Halbleiterventilen wären aber wegen ihrer Vorteile,
z.B. der Wartungsfreiheit, gegenüber rotierenden Symmetrierungseinrichtungen durchaus
vorzuziehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ruhende Symmetrierungseinrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, welche allein oder in Verbindung mit einer
beliebigen Einrichtung zur Blindleistungskompensation betrieben werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Symmetrierungeeinrichtung
gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen selbstgeführten
Stromrichter,
welcher mit vertauschter Phasenfolge an das Drehstromnetz angeschlossen ist, und
durch einen netzgeführten Stromrichter, welcher an das Drehstromnetz angeschlossen
ist und über eine Glättungsdrossel den selbitgeführten Stromrichter mit eingeprägtem
Gleichstrom speist.
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Man kann sagen: Der selbstgeführte Stromrichter arbeitet zusammen
mit dem netzgeführten Stromrichter nach dem Prinzip eines Zwischenkreisumrichters
mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom. Dieses Prinzip ist beispielsweise aus der deutschen
Patentschrift 1 513 518 bekannt. Der netzgeführte Strom*ichter versorgt aus dem
Drehstromnetz den Gleichstromeingang des selbstgeführten Stromrichtere mit eingeprägtem
Gleichstrom.
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Dabei muß der netzgeführte Stromrichter nahezu mit dem Aussteuerungsgrad
Null arbeiten, weil außer den Verlusten keine Wirkleistung aufgenommen wird. Die
Glättungsdrossel im Gleichstromzwischenkreis entkoppelt beide Stromrichter. Da der
selbstgeführte Stromrichter gegenüber dem netzgeftlhrten Stromrichter mit zwei vertauschten
Leiterklemmen an das Wechrelstromnetz angeschlossen ist, zwingt er dem durch den
Verbraucher unsymmetrisch belasteten Drehstromnetz ein symmetrisches, aber gegenläufiges
System von Strömen auf, welches weiter oben bereits als Gegenstromsystem bezeichnet
wurde. Dessen Phasenlage kann durch Anderung des Steuerwinkels des selbstgeführten
Stromrichters verändert werden.
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Als netzgeführter Stromrichter wird bevorzugt ein solcher mit geringem
Blindleistungsbedarf verwendet. In dieser Hinsicht sind Stromrichter, welche in
Folgesteuerung betrieben werden (vergl. G. Möltgen, 'Netzgeführte Stromrichter mit
Thyristoren", Siemens Fadhbuch, Siemens AG, Berlin-München, 1967, Seite 186 ff),»besonders
geeignet. Als folgegesteuerter Stromrichter kann z.B. ein solcher in Drehstrom-Brückenschaltung
eingesetzt werden.
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Der selbstgeführte Stromrichter ist bevorzugt ein Stromrichter mit
gesteuerten Hauptventilen in Drehstrom-Brückenschaltung und mit einer Kommutierungseinrichtung,
wobei die Kommutierungseinrichtung für jeden Zweig einen Kommutierungskondensator
enthält,
welcher in Reihe mit jeweils einem gesteuerten Kommutierungsventil
je einem der an denselben Zweig angeschlossenen Hauptventile parallel geschaltet
ist. Ein solcher selbstgeführter Stromrichter ist beispielsweise aus der bereits
erwähnten deutschen Patentschrift 1 513 518 bekannt.
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Im allgemeinen werden beide Stromrichter über Drehstrom-Transformatoren
an das Drehstromnetz angeschlossen sein. Für Anwendungsfälle bis zu mittleren Leistungen
ist es jedoch auch möglich, daß nur selbstgeführte Stromrichter über einen Drehstrom-Transformator
an das Drehstromnetz angeschlossen ist.
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Die erfindungsgemäße Symmetrierungseinrichtung kann mit einer beliebigen,
Phasenblindleistung abgebenden Einrichtung zusammenarbeiten, z.B. auch mit einer
rotierenden Einrichtung in Porm einer als Phasenschieber ausgebildeten Synchronmaschine.
Zweckmäßig ist, es natürlich,, die Phasenblindleistung abgebende Einrichtung ebenfalls
ruhend, also als Blindleistungs-Stromrichter auszubilden. In diesem Fall ist es
möglich, daß der Phasenblindleistung abgebende Blindleistungs-Stromrichter und der
netzgeführte Stromrichter über einen gemeinsamen Drehstrom-Transformator aus dem
Drehstromnetz gespeist sind.
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Netzgeführter und selbstgeführter Stromrichter werden mit Netzfrequenz
getaktet. Daher kann für den netzgeführten und für den selbstgeführten Stromrichter
eine gemeinsame Meßeinrichtung für das erforderliche Gegensystem vorgesehen sein.
Mit ihr läßt sich über die Steuerung des netzgeführten Stromrichters die Höhe und
über die Steuerung des'selbstgeführten Stromrichters die Phasenlage des Gegensystems
beeinflussen. Ist zusätzlich ein Blindleistwigs-Stromrichter am Drehstromnetz angeordnet,
so kann auch dieser den Meßwert für die Phasenblindleistung aus der gemeinsamen
Meßeinrichtung beziehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Figuren
naher erläutert. Es zeigen: Figur 1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße
Symmetrierungseinrichtung, die zusammen mit einem Rlindleistungs-Stromrichter an
einer Drehstrom-Sammelschiene
angeschlossen ist, welche einen unsymmetrischen
Verbraucher speist, und Figur 2 eine bevorzugte grundsätzliche Ausführungsform der
in Figur 1 gezeigten Symmetrierungseinrichtung.
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Nach Figur 1 speist ein Drehstrom-Generator 2 einDrehstromnetz, und
zwar im vorliegenden Fall eine Drehßtrom-Sam els¢hiene 3, an welche ein oder eine
Anzahl unsymmetrisoher Verbraucher 4 angeschlossen ist. Der Verbraucher 4 ist hier
eine eine phasige Last, z.B. ein Lichtbogen-Schmelzofen mit einer Leistung bis zu
50 MW. Sein Bedarf an Phasenblindleistung wird durch einen elektronischen Phasenschieber
5 zusammen mit Filterkreisen 6 gedeckt. Die Filterkreise 6 kompensieren die Oberschwingungen
im Netzstrom. Als elektronischer Phasenschieber 5 läßt sich ein beliebiger der bekannten
Blindleistunge-Stromrichter einsetzen, z.B. ein selbstgeführter Stromrichter, der
ausgangsseitig über Kondensatoren 7 kurzgeschlossen ist. Die in die Drehstrom-Sammelschiene
3 und damit in den Verbraucher 4 eIngespeiste Phasenblindleistung wird über den
Steuerwinkel des Blindleistungs-Stromrichters 5 eingestellt. Die Einstellung erfolgt
so, daß die Phasenblindleistung an der Drehstrom-Sammelschiene 3 möglichst weitgehend
kompensiert wird.
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Zur Einstellung des Steuerwinkels ist eine Meßeinrichtung 8 vorgesehen,
die ebenfalls an die Drehstrom-Sammelschiene 3 angeschlossen ist. Sie kann einen
(nicht dargestellten) Regler enthalten, welcher in Abhängigkeit der Abweichung des
gemessenen Leistungsfaktors von einem vorgegebenen Sollwert über Steuerleitungen
9 den Steuerwinkel des Blindleistungs-Stromrichters 5 verstellt.
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weiterhin ist an die Drehstrom-Sammelschiene 3 eine ruhende Symmetrierungseinrichtung
angeschlossen, welche allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Symmetrierungseinrichtung
10 sorgt für die Zufuhr der benötigten Unsymmetrieleistung auf elektronischem Wege.
Sie umfaßt im wesentlichen einen selbstgeführten Stromrichter 11, der über eine
Glättungsdrossel 12 mit eingeprägtem Gleichstrom gespeist wird. Der selbstgeführte
Stromrichter 11 ist mit Netzfrequenz getaktet und arbeitet als
Wechselrichter.
Er ist, wie erst aus Figur 2 hervorgeht, mit zwei vertauschten Phasenleitungen an
die Drehstrom-Sammelschine 3 angeschlossen. Dadurch ist er in der Lage, ja nach
der Höhe des eingeprägten Gleichstroms und der zeitlichen Lage seiner Steuerimpulse
ein beliebig einstellbares symmetrisches Stromsystem mit einem zur Phasenfolge der
Drehstrom-Sammelschiene 3 umgekehrten Drehsinn zu liefern, also ein Gegenstromsystem
abzugeben, wie es zur Symmetrierung des einphasigen Verbrauchers 4 gefordert wird.
Die in Figur 1 dargestellte Anordnung ermöglicht es also, die Energiezufuhr vom
Drehstrom-Generator 2 zum Verbraucher 4 mit dem totalen Leistungsfaktor 1 der vor
sich gehen zu lassen, auch wennp ertraucher 4 unsymmetrisch ist.
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Der selbstgeführte Stromrichter ii bezieht den eingeprägten Gleichstrom
aus einem üblichen netzgeführten Stromrichter 13 in grundsätzlich beliebiger Schaltung,
welcher ebenfalls an die Drehstrom-Sammelschiene 3 angeschlossen ist. Der Aussteuerungsgrad
des netzgeführten Stromrichter 13 braucht nur wenig über Null zu liegen, da von
ihm außer den unvermeidbaren, -aber sehr geringen Verlusten innerhalb der gesamten
Sysmmetrierungseinrichtung 10 keine Wirkleistung, sondern nur Blindleistung aufgenommen
wird. Es ist daher zweckmäßig, für den netzgeführten Stromrichter 13 eine Schaltung
zu wählen, die bei niedrigem Aussteuerungsgrad einen geringen Blindleistungsbedarf
hat.
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Zu diesen Schaltungen zählen z.B. Stromrichter, welche nach den bekannten
Prinzip der Folgesteuerung betrieben werden.
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Sine Änderung der Höhe des eingeprägten Gleichstroms und damit eine
änderung der abgegebenen Unsymmetrieleistung ist trotz Verwendung einer Glättungsdrossel
12 von hoher Induktivität sehr rasch möglich, da der gesamte Aussteuerungsbereich
des netzgeführten Stromrichters 13 zur Verfügung steht.
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Aus Figur 1 ergibt sich, daß die Meßeinrichtung 8 gemeinsam für den
Blindleistungs-Stromrichter 5, für den selbstgeführten Stromrichter 11 und für den
netzgeführten Stromrichter 13 vorgesehen ist. In Figur 1 schließen die Symbole für
die Stromrichter 5, 11, 13 die zugehörigen Steuersätze mit ein.
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Die Meßeinrichtung 8 mißt die mitläufige und die gegenläufige Komponente
von Spannungen und Strömen sowie die daraus abzuleitenden Wirk- und Blind leistungen
im Dreiphasensystem, welches durch den Drehstrom-Generator 2, die Drehstrom-Sammelschine
3 und den beliebig unsymmetrischen Verbraucher 4 gebildet wird. DieLde Meßeinrichtung
8 kann z.B. aus drei sogenannten Komponentenbrücken nach G. Hosemann,VDE-3uchreihe,
Band 10, "Blindleistung", 1963, Seiten 118 bis 121, insbesondere Bild 9 und 11 ,
bestehen. In Abhängigkeit der gemessenen Werte liefert die Meßeinrichtung 8 sowohl
die Stellgröße für die Phasenlage des Gegenstromsystems, welche über die Steuerleitungen
14 dem selbstgeführten Stromrichter 11 zugeführt wird, ale auch die Stellgröße für
den Strom im netzgeführten Stromrichter 13, welche über die Steuerleitungen 15 diesem
zugeführt wird.
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Für Anordnungen mit größerer Leistung, also solche im MW-Bereich,
lassen sich die Stromrichter 5, 11, 13 in beliebigen höherpulsigen Schaltungen ausführen.
Es empfiehlt sich dann, z.B. auf zwölfpulsigen Betrieb überzugehen. - Die Filterkreise
6 werden gemeinsam den Anforderungen aller Stromrichter 5, 11, 13 und dem Verbraucher
4 entsprechend ausgeführt.
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Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der in Figur 1 eingezeichneten
Symmetrierungseinrichtung 10. Der selbßtgeführte, mit Netzfrequenz getaktete Stromrichter
11 speist über einen Drehstrom-Transformator 16 Unsymmetrieleistung in die Drehstrom-Sammelschiene
3 mit den Phasen R, S, T ein. Die beiden links eingezeichneten netzseitigen Zuleitungen
dieses Drehstrom-Transformators 16 sind vertauscht an die Phasen R, S angeschlossen.
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Der netzgeführte Stromrichter 13 ist eingangsseitig ebenfalls über
einen Drehstrom-Transformator 17 an die Drehstrom-Sammelschiene 5 angeschlossen.
Dieser Drehstrom-Transformator 17 kann, was nicht dargestellt ist, gleichzeitig
zum Netzanschluß des Blindleis tungs-Stromrichters 5 (Figur 1) herangezogen werden.
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Die Drehstromtransformatoren 16, 17 werden insbesondere bei hohen
Leistungen der Anordnung gleichzeitig benötigt.
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Der prinzipielle Aufbau des dargestellten selbstgeführten Stromrichters
11 ist aus der deutschen Patentschrift 1 513 518 bekannt. Er enthält gesteuerte
Hauptventile 21 bis 26 in Drehstrom-Brückenschaltung. Für die Hauptventile 21 bis
26 ist eine Kommutierungseinrichtung vorgesehen. Diese enthält für jede Phasenleitung
einen Kommutierungskondensator 27 bis 29, welcher in Reihe mit jeweils einem der
gesteuerten Kommutierungsventile 31 bis 36 je einem der an dieselbe Phasenleitung
angeschlossenen Hauptventile 21 bis 26 parallel geschaltet ist.
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Beispielsweise ist der Kommutierungskondensator 27 zum einen in Reihe
mit dem Kommutierungsventil 31 dem Hauptventil 21 und zum anderen in Reihe mit dem
Kommutierungsventil 34 dem Hauptventil 24 parallel geschaltet. Die Glättungsdrossel
12 am Eingang sorgt dafür, daß der speisende Gleichstrom eingeprägt ist.
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Als netzgeführter Stromrichter 13 wird ein solcher mit gesteuerten
Hauptventilen 41 bis 46 in Drehstrom-Brückenschaltung verwendet. Diese Drehstrom-Brückenschaltung
ist einer Reihenschaltung von zwei dreipulsigen Mittelpunktschaltungen äçivalent.
Daher können die beiden Brückenseiten in Folgesteuerung betrieben werden (vergl.
G. Möltgen: nNetzgeführte Stromrichter mit Thyristoren", Siemens Fachbuch 1967,
Seiten 189 bis 204). Die Blindleistungsaufnahme ist bei Folgesteuerung nur gering.
Mit kleinen Steuerwinkeländerungen in der Nähe eines Steuerwinkels von kleiner Xgiich
900 läßt sich der Gleichstrom im Gleichstromzwischenkreis praktisch trägheitslos
steuern.
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Der Vorteil der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Symmetrierungseinrichtung
ist darin zu sehen, daß man weitgehend auf bekannte und bewährte Bauelemente zurückgreifen
kann. Eine erfindungsgemäße ruhende Symmetrierungseinrichtung läßt sich daher ohne
große Schwierigkeiten herstellen. Gegenüber der bekannten rotierenden Symmetrierungseinrichtung
ist sie weitgehend verschleiß- und wartungsfrei. Sie besitzt dieselben Vorteile
wie der ruhende elektronische gegenüber dem rotierenden Phasenschieber: Sie benötigt
einen geringeren Platz und weniger Fundamente. Sie arbeitet praktisch geräuschlos
und spricht schneller bei Laständerungen an.
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9 Patentansprttche. 2 Figuren - --