DE2944099A1

DE2944099A1 - Leistungswandlersystem mit einer wechselrichterschaltung

Info

Publication number: DE2944099A1
Application number: DE19792944099
Authority: DE
Inventors: John Hoffman Cutler; Loren Haines Walker
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1978-11-02
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1980-05-14
Also published as: GB2034540B; IT7926983A0; DE2944099C2; CA1142584A; IT1124887B; SE7909051L; US4183081A; GB2034540A; JPS5583474A; JPS6018192B2

Description

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Filed: November 2,1978

General Electric Company Schenectady, N.Y. (V.St.A.)

Leistungswandlersystein mit einer Wechselrichterschaltung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungswandlersystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Allgemein gesprochen betrifft die Erfindung Systeme mit Wechselrichterschaltungen, die einen Kommutierkondensator enthalten und einen Schutz gegen überströme aufweisen, die so groß sind, daß eine einwandfreie und zuverlässige Kommutierung nicht mehr gewährleistet ist.

Es gibt eine ganze Reihe von Wechselrichterschaltungen. Eine Anzahl dieser Schaltungen arbeitet mit Kondensatoren, die auf eine Spannung bestimmten Wertes aufgeladen werden, die dann während des nächsten Zyklus zum Kommutieren eines zugeordneten gesteuerten Gleichrichters verwendet wird. Eine solche Wechselrichterschaltung ist die autosequentiell kommutierte Stromquellen-Wechselrichterschaltung (Autosequentially Commutated Current Source Inverter), dte häufig einfach cfls "stromgesteuerter Wechselrichter" bezeichnet wird. Bei diesem Typ von Wechselrichter ist der Wert der Spannung am Kommutierkondensator direkt proportional dem Strom, der in der Wechselrichterschaltung vor dem letzten Kommutieren eines Gleichrichters der ihm zugeordneten Gruppe geflossen ist, also proportional dem Last-

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strom zu diesem Zeitpunkt. Die Größe des Stromes, der in einem bestimmten Zeitpunkt kommutiert werden kann, ist also direkt proportional der Größe des Stromes, der durch die betreffende Gleichrichtergruppe das letzte Mal kommutiert worden war. Dies bedeutet aber, daß der Betrag des zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kommutierungen zulässigen Stromanstieges begrenzt ist.

Bei vielen Anwendungen bildet das Ausmaß des Stromanstieges zwischen den Kommutierungen kein ernstes Problem. Z.B. kann die Steuerung eines anspruchsloseren Motorantriebes, dem nur langsame ürehzahländerungen oder allmähliche Laständerungen abverlangt werden, so ausgelegt sein, daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzt wird, so daß dann kein Oberstromprnblem auftritt. Bei Hochleistungsantrieben, wo rasche Änderungen und damit hohe Stromänderungsgeschwindigkeiten eine Notwendigkeit sind, werden die Probleme jedoch schwieriger, da die maximal zulässige Stromänderung zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen immer noch durch die Konstruktion des Systems begrenzt ist. Da bei vielen anspruchsvolleren Anwendungen außerdem eine veränderliche Ausgangsfrequenz benötigt wird, kann die Stromänderungsgeschwindigkeit ohne ernstliche Beeinträchtigung des dynamischen Verhaltens des Antriebes nicht konstant gehalten werden.

Man hat manchmal versucht, dem Problem hinsichtlich der Kommutierung durch Erhöhung der Größe der Kommutierkondensatoren Herr zu werden. Die Verwendung von größeren Kondensatoren vermag zwar das Problem von Kommutierfehlern bei niedrigen Frequenzen erheblich zu erleichtern, die Maximaldrehzahl des Antriebs wird dann im allgemeinen jedoch aus verschiedenen Gründen untragbar herabgesetzt. In vielen Fällen stellen also weder eine Begrenzung der Stromanstiegsgeschwindigkeit noch die Verwendung größerer Kondensatoren eine annehmbare Lösung dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Leistungswandler- oder Wechselrichtersystem, bei dem Kondensatoren auf eine dem im System fließenden Strom proportionale Spannung aufgeladen und anschließend zur Kommutierung der einzeln gesteuerten Gleichrichter des Wechselrichters wieder entladen werden, anzugeben, das

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ein besseres Betriebsverhalten zeigt als die bekannten Systeme dieser Art. Insbesondere soll ein Leistungswandler- oder Wechselrichtersystem angegeben werden, bei dem der Gesamtbetrag des Stromanstieges, der zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen der Gleichrichter einer Gruppe zulässig ist, begrenzt ist, insbesondere in Abhängigkeit der an den Kommutierkondensatoren vorhandenen Spannung.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Leistungswandlersystem der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Leistungswandler- oder Wechselrichtersystem eine Leistungsgleichstromquelle, die einen Ausgangsstrom steuerbarer Größe in Abhängigkeit von Steuereingangssignalen liefert, die einer der Leistungsgleichstromquelle zugeordneten Steuerschaltung zugeführt werden. Mit der Leistungsgleichstromquelle \st eine Wechselrichterschaltung, die eine Mehrzahl von gesteuerten Gleichrichtern, denen jeweils ein Kommutierkondensator zugeordnet ist, enthält und durch eine weitere Steueranordnung gesteuert wird, um den Ausgang der Wechselrichterschaltung zu steuern. Ein erstes Signal, das für den Wert der Spannung an den den Gleichrichtern einer Wechselrichtergruppe zugeordneten Kondensatoren repräsentativ ist, und ein zweites Signal, das dem Wert des Ausgangsstromes von der Leistungsgleichstroinquelle (also dem Systemstrom) proportional ist, werden in einer geeigneten Anordnung unter Erzeugung eines vorrangigen Steuersignals kombiniert, das den Ausgang der Leistungsquelle begrenzt, wenn die beiden Signale eine vorgegebene Beziehung erreichen, die durch den Maximalwert des Stromes bestimmt ist, der durch die Spannung an den Kondensatoren sicher kommutiert werden kann.

Gemäß einer Ueiterbildung ist zusätzlich eine Anordnung vorgesehen, um die Erzeugung des vorrangigen Steuersignals für eine vorgegebene Zeitspanne im Anschluß an das Zünden eines der Gleichrichter des Wechselrichters zu sperren oder auszutasten, um jede Beschränkung des Stromanstieges während einer anfänglichen Zeitperiode, wenn die Spannung an den Kommutierkondensatoren sich umkehrt, zu verhindern.

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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 und 3 Diagramme, auf die bei der Erläuterung der Erfindung Bezug genommen wird, und

Fig. 4 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufes verschiedener Spannungen in der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1.

Die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1, die eine derzeit bevorzugte Aus"¹-führungsform der Erfindung darstellt, enthält eine Leistungsgleichstromquelle 10, die eine Gleichrichterbrücke bekannten Typs mit sechs gesteuerten Gleichrichtern 12 bis 17 enthält. Diese gesteuerten Gleichrichter gehören vorzugsweise zu der generell als "Thyristoren" bezeichneten Klasse, deren bekanntester Vertreter der steuerbare Siliciumgleichrichter (SCR) ist. Die Gleichrichter sind mit einer Leistungs-Wechselspannungsquelle verbunden, die eine Wechselspannung im wesentlichen konstanter Frequenz liefert und durch drei Leitungen L., L„ und L.,, z.B. eines Drehstromnetzes, dargestellt ist. Die Gleichrichterbrücke arbeitet vorzugsweise mit einer konventionellen Phasensteuerung, durch die ihr Ausgangsstrom I. , der auch als der Verbraucher- oder Laststrom des Systems angesehen werden kann, gesteuert veränderbar ist. Die zur Steuerung des Ausgangsstromes erforderliche Steuerung der Gleichrichter erfolgt durch eine Gleichrichter-Steuerschaltung 18, die eine Anzahl von Steueroder Zündsignalen über entsprechende Leitungen 20 an die steuerbaren Gleichrichter 12 bis 17 liefert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur die zum Gleichrichter 15 führende Zündsignalleitung 20 dargestellt. Die Größe des Ausgangsstromes der Gleichrichterbrücke kann in bekannter Weise durch Steuerung des Zündzeitpunktes innerhalb jeder Halbwelle der Wechselspannung, d.h. durch Steuerung des Zündwinkels der

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Gleichrichter, gesteuert v/erden. Die Steuerschaltung 18 und damit der Ausgangsstrom I. werden durch ein Steuersignal auf einer Leitung 22 gesteuert. Für die Steuerschaltung 18 kann irgendein geeigneter Typ verwendet werden, z.B. eine Schaltung, die mit einer Rampe oder einem Sägezahn und einem Sockel oder einer Grundspannung arbeitet, und das Signal auf der Leitung 22 wird im allgemeinen analoger Natur sein, so daß die Steuerschaltung und damit die Gleichrichterbrücke in Abhängigkeit von der Grobe des Steuersignals auf der Leitung 22 gesteuert werden.

Mit der Leistungsgleichstromquelle 10 ist eine als Ganzes mit 30 bezeichnete Wechselrichterschaltung über eine Gleichstromkopplungsschaltung verbunden, die im folgenden einfach als "Gleichstromverbindung" bezeichnet werden soll. Die Gleichstromverbindung enthält Leitungen 23 und 25, die den Strom I. führen, sowie eine Induktivität 24, außerdem kann in der Gleichstromverbindung ein Widerstandsshunt 26 vorgesehen sein. Bei der Wechselrichterschaltung 30 handelt es sich um einen bekannten Typ, sie enthält eine erste oder positive Gruppe steuerbarer Gleichrichter'31, 32 und 33 und eine zweite oder negative Gruppe von steuerbaren Gleichrichtern 41, 42 und 43. Jedem der steuerbaren Gleichrichter 31, 32 und 33 ist eine entsprechende Diode 34, 35 bzw. 36 zugeordnet und in Reihe geschaltet. Ferner ist jedem der Gleichrichter 31,32 und 33 ein Kommutierkondensator zugeordnet. Es ist also zwischen die Kathoden der Gleichrichter 31 und 32 ein Kondensator 37 geschaltet und zwischen die Kathoden der Gleichrichter 32 und 33 ein zweiter Kondensator 38. Ein dritter Kondensator 39 ist zwischen die Kathoden der Gleichrichter 31 und 33 geschaltet. In entsprechender Weise enthält die negative Gruppe von Gleichrichtern 41, 42 und 43 entsprechend angeordnete Dioden 44, 45 und 46 sowie entsprechend geschaltete Kommutierkondensatoren 47, 48 und 49.

Der Ausgang der Wechselrichterschaltung 30 ist über entsprechende Leitungen mit einem geeigneten Verbraucher verbunden, der als dreiphasiger oder Drehstrommotor 56 schematisch dargestellt ist. Der Ausgang der Wechselrichterschaltung wird durch eine Wechselrichter-Steuerschaltung 50 gesteuert, die Zündausgangssignale auf entsprechenden Leitungen 52 an die gesteuerten Gleichrichter der Wechselrichterschaltung liefert und ihrerseits durch ein Steuereingangssignal auf einer Leitung 54 gesteuert wird.

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Es ist eine ganze Reihe von Steuerschaltungen bekannt, mit denen der Betrieb dieser Art von Wechselrichterschaltung in der gewünschten Weise gesteuert werden kann. Die Steuerschaltung wird normalerweise irgendeine Art von Oszillator, z.B. einen spannungsgesteuerten Oszillator enthalten, um die Zündsignale auf den Leitungen 52 in Abhängigkeit von der Größe der Steuerspannung auf der Leitung 54 und damit die Ausgangsfrequenz der Wechselrichterschaltung zu steuern. Selbstverständlich kann man auch andere Arten von Steuerschaltungen verwenden. Soweit beschrieben, ist die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 bekannt. Im Betrieb wird die Größe des Stromes I. des Systems durch die Ausgangssignale der Gleichrichter-Steuerschaltung 18 gesteuert, die Phasensteuer-Zündsignale an die steuerbaren Gleichrichter 12 is 17 liefert. Durch die Wechselrichter-Steuerschaltung 50 werden andererseits die steuerbaren Gleichrichter der Wechselrichterschaltung über die Zündsignale auf den Leitungen 52 derart gesteuert, daß sie ein Ausgangssignal liefern, dessen Frequenz eine Funktion der Wechselrichtersteuerung ist und deren Größe selbstverständlich vom Wert des Stromes I. abhängt. Die Kommutierkondensatoren arbeiten in üblicher Weise und werden entsprechend dem an die Last 56 abgegebenen Strom aufgeladen. Es sei beispielsweise angenommen, daß die Gleichrichter 31 und 43 durchgeschaltet sind, also leiten. In diesem Falle wird ein Stromweg durch den Kondensator 37 gebildet und dieser wird an seinem linken Belag positiv aufgeladen. Der Betrag der Aufladung hängt von dem Strom, der fließt, ab. Wenn als nächstes der Gleichrichter 32 durchgeschaltet wird, kommutiert die Spannung am Kondensator 37 den Gleichrichter 31, d.h. sie läßt diesen sperren, und der Kondensator 37 wird nun an seinem rechten Belag positiv aufgeladen, so daß er beim anschließenden Durchschalten des Gleichrichters 33 für die Kommutierung des Gleichrichters 32 zur Verfügung steht. Dieser Betriebstyp ist bekannt und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden. Es sei jedoch bemerkt, daß bei dem Schaltbild gemäß Fig. 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit und wegen ihrer Irrelevanz für die Erfindung als solches eine Reihe von üblichen zusätzlichen Schaltungskomponenten, wie Anlaufschaltungen und Stromdifferenzier- oder Versteilerungsdrosseln, wie sie üblicherweise in solchen Wandlerschaltungen vorgesehen sind, weggelassen wurden.

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Bevor der Rest der Schaltung gemäß Fig. 1 erläutert wird, soll noch etwas näher auf den Zusammenhang zwischen den Spannungen an den Kondensatoren und den Strömen, die diese Spannungen einwandfrei kommutieren können, eingegangen werden.Dieser Zusammenhang ist durch das Diagramm in Fig. 2 graphisch dargestellten dem die Kondensatorspannung V über dem Lastoder Systemstrom I. aufgetragen ist. Es läßt sich mathematisch zeigen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, daß die durch einen vorgegebenen Strom an einem Kommutierkondensator erzeugte Spannung in der Lage ist, im nächsten Kommutierzeitpunkt einen höheren Strom zu kommutieren bzw. zu unterbrechen. Es läßt sich ferner zeigen, daß der Zusammenhang zwischen den Kondensatorspannungen und den Strömen im wesentlichen linear ist. In Fig. 2 ist diese Relation durch die Gerade V dargestellt, die das Verhältnis der an einem Kommutierkondensator auftretenden Spannung als Funktion des zuletzt kommutierten Laststromes zeigt. Die gestrichelte Gerade I₁ stellt die für den theoretischen, verlustfreien Fall geltende Beziehung zwischen der Spannung an einem Kommutierkondensator und dem Betrag des Stromes, der durch diese Spannung kommutiert werden kann, dar. In der Schaltung treten jedoch durch die Anlaufschsltungen (snubber circuits), Gleichrichter, Drosseln usw. unvermeidlich Verluste auf, deren Größe zwar nicht sehr hoch ist, aber doch berücksichtigt werden muß. Die Gerade I in Fig. 2 stellt dementsprechend die tatsächliche Beziehung zwischen der Kondensatorspannung V und dem Strom I. dar, der durch diese Spannung tatsächlich kommutiert werden kann. Der vertikale Versatz der Gerade I bezüglich der Geraden I₁ stellt die verschiedenen Verluste dar.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß ein Laststrom I_Q am Kommutierkondensator eine Spannung V_n erzeugt. Projiziert man diese Spannung auf die Kurve I , so sieht man, daß mit dieser Spannung ein höherer Strom I. kommutiert werden kann. Die dem horizontalen Abstand zwischen I₀ und I. entsprechende Differenz zwischen diesen beiden Strömen stellt den Betrag der Stromerhöhung dar, die zwischen diesen beiden aufeinanderfolgenden Kommutierungen der gleichen Gleichrichter beherrscht werden kann. In entsprechender Weise wird der Strom I. eine Kondensatorspannung V₁ erzeugen, die das Kommutieren eines noch höheren Stromes Ip zuläßt, wobei der Abstand zwischen I, und I_? die Differenz der Stromwerte darstellt, bei der in dem vorliegenden Beispiel die nächste Kommutierung noch möglich ist. Aus dieser Darstellung

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ist ersichtlich, daß wenn z.B. im Zeitpunkt der ersten Kommutierung eine Strom I_n floß und wenn zum Zeitpunkt der nächsten Kommutierung infolge der Beanspruchung des Systems ein größerer Strom als L fließt, die Spannung an den Kondensatoren nicht mehr ausreicht und ein Kommutierfehler oder -ausfall auftreten würde. Ver Schnittpunkt y der beiden Geraden V und I ist ein kritischer Punkt, da unterhalb dieses Punktes ein Betrieb ohne zusätzliche Maßnahmen nicht möglich ist, da die Spannung nie hoch genug wird, um den Strom kommutieren zu können.

Fig. 3 dient zur Verdeutlichung einiger Probleme des Wechselrichterbetriebes, die erläutert wurden, und zeigt außerdem funktionell, wie die Ziele der vorliegenden Erfindung erreicht werden. In Fig. 3 ist der Laststrom I. in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die drei angegebenen Laststiöme I,., I.- ^unc' ^i 3 stellen jeweils den maximalen Strom dar, der an drei aufeinanderfolgenden Kommutierungszeiten T_?, T- bzw. T_ß kommutiert werden kann, welche selbstverständlich außerdem drei aufeinanderfolgenden Durchschalt- oder Zündzeiten der " Gleichrichter des Wechselrichters entsprechen. Die Linie Iq stellt einen angenommenen Strombedarf dar, der plötzlich an das System als Ganzes gestellt wird, z.B. durch eine plötzliche Erhöhung der Belastung des Motors 56 (Fig. 1). Aus Fig. 3 ist sofort ersichtlich, daß die durch die Linie Iq dargestellten Ströme jeweils die durch I. ., I. ~ bzw. I., bestimmten zulässigen Grenzwerte überschreiten, und daß ein Versagen der Kommutierung sowie möglicherweise des ganzen Systems resultieren würde, wenn man zuließe, daß das Wechselrichtersystem versucht, den geforderten Strom entsprechend der Linie I_ß zu liefern. Die Linie I_R entspricht einer möglichen Lösung des Kommutierungsfehlerproblems und stellt eine aufirgendeine Weise bewirkte, derartige Begrenzung der Stromanstiegsrate dar, daß an den Kondensatoren unter allen Umständen eine ausreichende Spannung entwickelt wird, um die Kommutierung zu gewährleisten. Der Unterschied zwischen denen durch die Linien I_R und I_Q dargestellten Betriebsarten läßt jedoch sofort erkennen, daß diese Lösung für viele Zwecke nicht befriedigen kann.

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Die in Fig. 3 dargestellte stufenartig ansteigende Kurve I, stellt den erfindungsgemäßen Betrieb des Wechselrichtersystems dar. Der Verlauf der Kurve I, zeigt, daß der Strom im Zeitpunkt T_Q, in dem die erhöhte Belastung des Systems beginnt, entsprechend dieser Belastung ansteigen kann. Dieser Anstieg wird zugelassen, bis sich der Strom dem Grenzwert nähert, der durch den Strom zum Zeitpunkt der letzten Kommutierung bestimmt wird, d. h. durch den Strom I. .. Bei Annäherung an diesen Grenzwert wird ein weiterer Stromanstieg verhindert und der Strom bleibt bis zum nächsten Kommutierungszeitpunkt T- konstant. Da die Ladung der Kondensatoren infolge des angestiegenen Stromes zugenommen hat (diehe Fig. 2), kann der Strom dann wieder mit einer großen Geschwindigkeit ansteigen, bis er sich dem nächsten Stromgrenzwert I. ρ nähert. Der Strom wird dann bis zur nächsten Kommutierung im Zeitpunkt T- wieder an einem weiteren Ansteigen gehindert. Dieser Zyklus wiederholt sich, bis der Bedarf gedeckt ist oder das System anderweitig an eine Grenze stößt. Man sieht also, daß die vorliegende Erfindung einen schnelleren Anstieg des Stromes als Reaktion auf eine höhere Belastung zuläßt als die bekannten Systeme, ohne daß dabei die Kommutierungsgrenzen des Systems überschritten werden. Die Zeitspannen Tq-T-, Tp-T₃ und T₄-T₅ stellen die oben erwähnten Austastperioden dar, auf die unter Bezugnahme auf Fig. 4 noch näher eingegangen wird.

Aus den vorangegangenen Erläuterungen, insbesondere denen bezüglich Fig. 2 und 3, ist ersichtlich, daß die Größe des Stromes, der in einem speziellen Zeitpunkt kommutiert werden kann, eine Funktion der an den Kommutierungskondensatoren liegenden Spannung ist, die wiederum vom zuletzt kommutierten Strom abhängt. Die vorliegende Erfindung trägt dieser Tatsache Rechnung und stellt eine Beziehung zwischen der vorhandenen Spannung und dem Wert des Stromes her, um zu bestimmen, wann der Strom von der Gleichstromquelle begrenzt werden sollte (bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wird die Strombegrenzungsfunktion durch Steuerung der Stromflußwinkel der Gleichrichter 12 bis 17 bewirkt). Zu diesem Zwecke werden zwei Signale erzeugt. Das erste dieser Signale ist proportional dem Wert der Spannung an den Kondensatoren und das zweite Signal ist proportional dem Laststrom, der wiederum selbstverständlich im wesentlichen gleich dem Gleichstrom und dem Wechselrichterstrom ist.

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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird das erste Signal durch zwei Kondensatorspannungssensoren oder -fühler 60 und 62 erzeugt. Da diese beiden Schaltungseinheiten funktionsmäßig identisch sind, ist nur die Schaltungseinheit 60 genauer dargestellt. Der Kondensatorspannungsfühler 60 enthält drei Differenzverstärker 64, 66 und 68, die dem Gleichrichter 31, 32 bzw. 33 parallelgeschaltet sind. Es ist ersichtlich, daß, wenn sich z.B. der Gleichrichter 32 in seinem leitenden Zustand befindet, die Spannung am Gleichrichter 31 im wesentlichen das Äquivalent der Spannung am Kondensator 37 ist. Dasselbe gilt für den Differenzverstärker 66 und den Kondensator 38 sowie den Differenzverstärker 68 und den Kondensator 39. An den Ausgängen der Differenzverstärker treten also Signale auf, die proportional der Spannung an den drei Kondensatoren 37, 38, 39 ist. Diese drei Signale werden einer bekannten Maximalwert-Torschaltung 70 zugeführt, auf deren Ausgangsleitung 72 ein Signal auftritt, das proportional dem Wert der höchsten Spannung an den drei Kondensatoren 37, 38 und 39 ist.(Es wird hier ausdrücklich anerkannt, daß dies nur eine Annäherung der tatsächlichen Kondensatorspannungen *' darstellt und daß geeignete Fühler oder Meßvorrichtungen, wie Differenzverstärker, direkt an die Kondensatoren 37,38 und 39 angeschlossen werden könnten. Der Grund, warum im Falle dies speziellen bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung keine direkte Messung erfolgt, besteht einfach darin, daß die Spannungen an den Gleichrichtern noch für andere Zwecke benötigt wurden, so daß durch die beschriebene Schaltung der Differenzverstärker Schaltunyseinheiten eingespart werden konnten).

Das Ausgangssignal von der Maxinialwert-Torschaltung 70 auf der Leitung 72 bildet ein Eingangssignal einer Operationsverstärkerschaltung 74 , deren Ausgangssignal proportional der algebraischen Summe der ihr zugeführten Eingangssignale ist.

Die Operationsverstärkerschaltung 74 enthält einen Summierungspunkt 76, dem das Signal von der Leitung 72 über einen geeigneten Eingangswiderstand 78 zugeführt wird.

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Das zweite Hauptsignal ist, wie erwähnt, proportional dem Laststrom I, . Dieses Signal kann auf verschiedene Weise erzeugt werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel geschieht dies durch Messung der Phasenströme, die in den zu den Gleichrichtern 12 bis 17 führenden Leitungen L-, L₂ und L, fließen. Mit diesen drei Leitungen sind, wie dargestellt, drei Stromtransformatoren 80, 82 bzw. 84 verbunden. Die Ausgangssignale dieser Stromtransformatoren werden einer üblichen Vollweg-Gleichrichterschaltung 86 zugeführt, die auf einer Leitung 88 dementsprechend ein Signal liefert, das dem Laststrom proportional ist. Das Signal auf der Leitung 88 wird den Summierungspunkt 76 des Operationsverstärkers 74 über einen geeigneten Eingangswiderstand 90 zugeführt. Dieses Signal kann, wie gesagt, auch auf andere Weise erzeugt werden. Eine mögliche Alternative ist der Widerstand 26, der zur Erzeugung eines dem Strom I. proportionalen Signals verwendet werden kann. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurden Stromtransformatoren verwendet, da es für andere Zwecke erforderlich war, die die Phasenströme darstellenden Signalen der Gleichrichterschaltung oder -brücke zuzuführen, so daß die Erkenntnis ausgenutzt werden konnte, daß die Summe der Phasenströme proportional dem tatsächlichen Last- oder Systemstrom ist.

Der Operationsverstärker-Schaltung 74 wird schließlich noch über einen an den Summierungspunkt 76 angeschlossenen Widerstand 92 ein drittes Eingangssignal von einem monostabilen Multivibrator oder Monovibrator 94 zugeführt. Dieses Signal stellt den oben erwähnten Austastimpuls dar. Der Monovibrator 94 wird durch das Ausgangssignal eines ODER-Gliedes ausgelöst, dessen Eingängen die sechs ZUndsignale von den Leitungen 52 der Wechselrichter-Steuerschaltung 50 zugeführt werden. Bei jedem Auftreten eines Zündsignals auf einer Leitung 52 wird das ODER-Glied 96 also ein Ausgangssignal liefern, das seinerseits den Monovibrator 94 erregt, der dann für eine bestimmte Zeitspanne ein Signal über den Widerstand 92 an den Summierungspunkt 76 liefert. Das Ausgangssignal vom Summierungspunkt 76 wird dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 98 zugeführt, dessen nichtinvertierender Eingang mit Masse und dessen Ausgang über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 100 und einem Kondensator 102 mit dem invertierenden Eingang gekoppelt ist, so daß der Operationsverstärker 98 als Integrierschaltung arbeitet.

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Das vom Ausgang des Operationsverstärkers 98 abgenommene Ausgangssignal der Operationsverstärkerschaltung 74 wird über eine Signal leitung 104 einem Eingang einer Minimalwert-Torschaltung 106 zugeführt, deren Ausgangssignal das Steuersignal auf der Leitung 22 für die Gleichrichter-Steuerschaltung 18 darstellt. Die Minimalwert-Torschaltung 106 kann irgendeine bekannte Schaltungsanordnung sein, die an ihrem Ausgang ein Signal liefert, das proportional dem kleinsten ihrer Eingangssignale ist. Bisher bezog sich die Beschreibung der Spannungsabfühl- und Verstärker-Schaltung 74 auf die positive Gleichrichtergruppe 31,32,33. Eine nicht im einzelnen dargestellte identische Anordnung ist für die negative Gleichrichtergruppe 41,42 und 43 vorgesehen, sie enthält die Schaltungsanordnung 62 zur Messung der Kondensatorspannung, die wie die Schaltung 60 für die negative Gleichrichtergruppe geschaltet ist, obwohl der Einfachheit halber nur zwei Eingangsleitungen dargestellt sind. Die Schaltung 62 liefert auf einer Ausgangsleitung 108 ein Signal an eine zweite Operationsverstärkerschaltung 110, die hinsichtlich aller, wesentlichen Gesichtspunkte mit der beschriebenen Operationsverstärkerschaltung 74 übereinstimmt. Der Operationsverstärkerschaltung 110 werden außerdem auch das Stromsignal von der Leitung 88 und das Ausgangssignal vom Monovibrator 94 zugeführt, so daß diese Schaltung auf einer Leitung 112 für die negative Gleichrichtergruppe ein Signal an die Minimalwert-Torschaltung 106 liefert, welches dem von der Operationsverstärkerschaltung 74 auf der Leitung 104 entspricht.

Der Minimalwert-Torschaltung 106 wird als drittes Eingangssignal eine Spannung von einem Schleifer eines Potentiometers 114 zugeführt, das zwischen ein positives Potential V+ und Masse geschaltet ist. Der Anschluß erfolgt über eine Leitung 116. Das Potentiometer 114 stellt symbolisch die Hauptsteuerung des Systems dar und es ist der Wert des Signales auf der Leitung 116, der normalerweise das Arbeiten des Systems bestimmt solange nicht die Übersteuerungsfunktion oder Vorrangsteuerung durch die Ausgangssignale auf den Leitungen 104 und 112 wirksam wird. Es sei nochmals betont, daß das Potentiometer 114 rein symbolisch ist, da die betreffende Steuerfunktion zwar durch eine Handsteuerung, wie

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über das dargestellte Potentiometer, bewirkt werden kann, das prinzipielle oder Hauptsteuersignal für die Gleichstromquelle jedo ώ normalerweise von einem wesentlich komplizierteren Rückführungssystem geliefert wird, das mit dem Betrieb des Wandlersystems als Ganzes zusammenhängt.

Die beschriebenen Hauptkomponenten des Systems arbeiten im wesentlichen wie folgt: Angenommen, der Betrieb sei stabil und die Ausgangsleistung oder die Ausgangsspannung des Systems, die vom Wechselrichter 30 an den Verbraucher 56 abgegeben wird, ist dann eine Funktion des Wertes des Signals auf der Leitung 116, das über die Torschaltung 106 zur Leitung 22 und damit zur Gleichrichter-Steuerschaltung 18 gelangt. Die Arbeitsfrequenz des Systems als Ganzes ist selbstverständlich eine Funktion des Steuersignals auf der Eingangsleitung 54 der Wechselrichter-Steuerschaltung 50. Die Signale auf den Leitungen 72 und (das Kondensatorspannungssignal bzw. das Laststromsignal) haben vorzugsweise entsgegengesetzte Polarität. Beispielsweise sei das Signal auf der Leitung 72 positiv und das auf der Leitung 88 negativ. Solange also das Spannungssignal auf der Leitung 72 einen größeren Betrag hat als das Stromsignal auf der Leitung 88, was anzeigt, daß die Spannung am Kondensator eine für die Kommutierung des derzeit fließenden Stromes ausreichende Größe hat, wird das Ausgangssignal vom Verstärker 98 auf der Leitung 104 einen höheren Wert haben als das Signal auf der Leitung 116 und das Signal auf der Leitung 116 wird dann weiterhin die Steuerung bewirken. (Dieselben Überlegungen gelten für die negative Hälfte der Wechselrichterschaltung, d.h. die Schaltung, die den Thyristoren 41,42 und 43 zugeordnet ist, einschließlich des Kondensatorspannungsfühlers 62 und der Operationsverstärkerschaltung 110). Es sei nun angenommen, daß ein höherer Laststrom benötigt wird. Das Signal auf der Leitung 116 wird dann ansteigen, um die Gleichrichter-Steuerschaltung zu veranlassen, die Phase des Durchschaltens der Gleichrichter 12 bis 17 vorzuverlegen, so daß ein größerer Laststrom fließen kann. Dadurch steigt dann der Wert des Signales auf der Leitung 88 an. Da an den Kondensatoren jedoch immer noch eine Spannung liegt, die durch den Strom im Zeitpunkt der vorangegangenen Kommutierung bestimmt ist, bleibt der Wert des Signals

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auf der Leitung 72 unverändert und das Ausgangssignal vom Summierungspunkt 76 wird dazu neigen, positiv zu werden. Ein positives Signal am invertierenden Eingang des integrierenden Operationsverstärkers 98 hat ein negatives Ausgangssignal an der zur Torschaltung 106 führenden Leitung 104 zur Folge. Wird das Signal auf der Leitung 104 genügend negativ, um das Signal vom Potentiometer 114 zu übersteuern, da es dann den niedrigeren Wert hat und das Signal ist, das durch die Torschaltung 106 durchgelassen wird. Derselbe Typ von übersteuerndem, bevorrechtigtem Signal wird für die negativen Gleichrichter der Wechselrichterschaltung 30 von der Operationsverstärkerschaltung 110 geliefert. Durch diese Maßnahmen wird also ein vorrangiges, übersteuerndes Signal geschaffen, das im Effekt einen Anstieg des Stromes (Fig. 3) bis zu einem Punkt oder Wert erlaubt, bei dem die Kommutierung durch die verfügbare Kondensatorspannung problematisch werden kann. Von diesem Zeitpunkt an wird dann ein weiterer Stromanstieg verhindert, bis die nächste Kommutierung stattgefunden hat und die Spannung am Kondensator wieder auf einen neuen Wert eingestellt wird, der normalerweise _v wegen des ansteigenden Laststromes höher als vorher sein wird.

Das verbleibende Merkmal, das zwar bereits mehrmals erwähnt, jedoch nicht im einzelnen beschrieben worden ist, betrifft die Austastimpulse, die dem Summierungspunkt 76 über den Widerstand 92 zugeführt werden. Bisher war bei der Erläuterung der Erfindung angenommen worde, daß das Ausgangssignal der Maximalwert-Torschaltung 70 auf der Leitung 72 ein im Prinzip stationäres Signal ist, dessen Wert sich im Betrieb der Wechselrichterschaltung nur relativ allmählich ändert. Diese Annahme ist nicht ganz richtig, wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, in der der zeitliche Verlauf verschiedener Spannungen dargestellt ist, die in der Wechselrichterschaltung bei Betrieb mit konstantem Strom auftreten. In Fig. 4 stellen die Kurven a, b und c den Verlauf der Spannungen anden Kondensatoren 37, 38 bzw. 39 dar. Die Kurven d, e und f zeigen den Verlauf der entsprechenden Spannungen für die gesteuerten Gleichrichter 31, 32 und 33. Wie dargestellt und bekannt ist, hat die Spannung an einem Gleichrichter im wesentlichen den Wert Null Volt, wenn dieser Gleichrichter durchgeschaltet ist (leitet), die Spannung wird im Augenblick der Kommutierung negativ und hat dann irgendeinen positiven Wert, während der Gleichrichter sperrt. Die Kurve g

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zeigt das Ausgangssignal der Maximalwerttorschaltung 70 auf der Leitung 72, das, wie erwähnt, den höchsten Wert darstellt, der an einem der drei zugeordneten Gleichrichter auftritt. (Es sei bemerkt, daß dies auch die höchste Spannung, als Absolutwert gerechnet, an den drei zugeordneten Kondensatoren ist).Die Kurve g zeigt jedoch, daß das Signal auf der Leitung 72 keinen gleichbleibenden Wert hat, sondern eine Reihe von Einkerbungen aufweist, bei denen die Spannung im wesentlichen auf Null abfällt. Ein solcher Spannungsabfall tritt bei jedem Kommutieren der gesteuerten Gleichrichter auf.

Würde man der Operationsverstärkerschaltung 74 die Spannung mit den Einkerbungen ohne irgendwelche Kompensationsmaßnahmen zuführen, so würde die Schaltung jedesmal versuchen, den Strom auf Null herabzusetzen, was die Arbeitsweise der Schaltung als Ganzes unbefriedigend machen würde. Man könnte daran denken, die dem Verstärker 98 zugeordnete Integrationszeitkonstante so groß zu machen, daß die Einkerbungen geglättet werden. Dies würde jedoch das dynamische Verhalten des Systems so ernstlich bet einträchtigen, daß der Nutzen der vorliegenden Erfindung verloren ginge. Es wurden auch andere Arten von Filterung erwogen, jedoch schließlich zu Gunsten der erwähnten Austastfunktion wieder fallen gelassen. Durch die Austastfunktion, die bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, werden die Einkerbungen in dem Signal auf der Leitung 72 maskiert. Durch die Einführung des Austastsignals entsteht keine Gefahr eines Kommutierungsfehlers, da es so ausgelegt ist, daß es nur während eines Intervalles auftritt, in dem keine Kommutierung befohlen wird.

Die Austastimpulse sind in der Kurve h der Fig. 4 dargestellt. Es war in Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1 bereits erwähnt worden, daß der Anfang dieser Impulse durch das Auftreten eines Zünd- oder Durchschaltsignals auf einer Leitung 52 gesteuert und bestimmt wird und daß diese Impulse während der Kommutierung der gesteuerten Gleichrichter vorhanden sind. Die Austastimpulse werden bei jedem Zünd- oder Durchschaltsignal des Wechselrichters dem Summierungspunkt 76 über den Widerstand 92 zugeführt. Das Impulssignal hat die gleiche Polarität wie das Spannungssignal auf der Leitung 72, so daß das Austastsignal, soweit es das Ausgangssignal des Summierungspunktes betrifft, die gleiche Wirkung hat wie eine große Spannung an den Kondensatoren. Das Austastsignal tritt während der

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Perioden Tq-T«» T?~^3 und Τ^-Τς (Fig. 3) auf, die die Arbeitsperioden des Monovibrators 94 darstellen. Während dieser Perioden ist'das Verhältnis der Werte des Laststromes und der Kondensatorspannungen ohne Einfluß.

Die obige Beschreibung der Funktion der Austastimpulse bezog sich nur auf die positive Seite des Wechselrichters. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß entsprechende Austastsignale für die Operationsverstärkerschaltung 110 auch für die negative Seite der Wechselrichterschaltung erzeugt werden, was zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 1 nicht dargestellt ist.

Bei dem beschriebenen und in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels dargestellten Wechselrichtersystems wird also der Stromanstieg zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen einwandfrei begrenzt, um zu gewährleisten, daß die an den Kommutierkondensator herrschende Spannung in jedem Falle für eine ordnungsgemäße Kommutierung ausreicht. Die beschriebene Schaltung, die derzeit als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung angesehen wird, läßt sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Beispielsweise können, wie bereits erwähnt wurde, die Kondensatorspannung und der Laststrom auf andere Weise gemessen werden. Auch die Austastfunktion läßt sich auf andere Weise realisieren und man kann auch mit einer der Austastung wirkungsgleichen Maßnahme arbeiten.

Bei der Wechselrichterschaltung gemäß der Erfindung wird also der Betrag des Anstieges des Ausgangsstroms zwischen aufeinanderfolgenden Kommutierungen der Gleichrichter einer Gruppe derart begrenzt, daß keine überströme auf treten können, welche sich durch die Spannungen an den Kommutierkondensatoren nicht mehr oder nicht sicher kommutieren lassen.

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Claims

Patentansprü ehe

( 1. \eistungswandlersystein mit einer Leistungsgleichstromquelle, die einen Ausgangsstrom steuerbarer Grölie zu liefern vermag, ferner mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Größe des Ausgangsstromes durch ein Steuereingangssignal, weiterhin mit einer Wechselrichterschaltung, die mehrere steuerbare Gleichrichter sowie diesen zugeordnete Komniutierkondensatoren enthält, und mit einer Steuerschaltung für die Wechselrichterschaltung gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung (60,62) zum Erzeugen eines ersten Signales, das den Wert der Spannungen an den Kommutierkondensatoren (37 bis 39, 47 bis 49) darstellt; ferner mit einer Schaltungsanordnung (80, 82, 84, 86) zum Erzeugen eines

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zweiten Signales, das deniWert des Ausgangsstromes (I,) proportional ist, und mit einer auf das erste und das zweite Signal ansprechenden Vorrangsteuerschaltung (74, 106, 110), die ein vorrangiges Steuersignal für die Steuerschaltung (18) liefert, welche den Ausgangsstrom bei vorgegebenen Verhältnissen des ersten und des zweiten Signales steuert.
2. Leistungswandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dal3 die Wechselrichter-Steuerschaltung (50) Durchschaltsignale für die einzelnen Gleichrichter (31 bis 31, 41 bis 43) der Wechselrichterschaltung (30) liefert und daß eine durch die Durchschaltsignale (auf den Leitungen 52) ansprechende Austastschaltung (94, 96) vorgesehen ist, die während einer vorgegebenen Zeitspanne nach dem Auftreten jedes Durchschaltsignales ein Austastsignal (Fig. 4h) liefert, welches die Vorrangsteuerschaltung (74, 106, 110) wirkungslos macht.
3. Leistungswandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das erste Signal liefernde Schaltungsanordnung eine Schaltung* (64, 66, 68) zur Erfassung der Spannungen an den verschiedenen Gleichrichtern (31 bis 33, 41 bis 43) der Wechselrichterschaltung (30) und eine Schaltung (70) enthält, die eine Darstellung der Spannung des höchsten Wertes für die Vorrangsteuerschaltung (74, 106, 110) liefert.
4. Leistungswandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zum Erzeugen des ersten Signals mehrere Differenzverstärker (64,66, 68) die jeweils die Spannung an einem zugehörigen Gleichrichter (31, 32 bzw. 33) der Wechselrichterschaltung

(30) erfassen und ein dieser Spannung proportionales Spannungssignal liefern, und eine Verknüpfungs- oder Torschaltung (70) enthält, der die Spannungssignale zugeführt sind und die nur das den höchsten Wert aufweisende Spannungssignal, das dann als das erste Signal dient, durchläßt.
5. Leistungswandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrangsteuerschaltung eine Operationsverstärkerschaltung (74,110) enthält, die auf das erste und das zweite Signal anspricht.

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-J-
6. Leistungswandlersystein nach Anspruch 2, d a du r c h gekennzeichnet, daß die Austastschaltung ein ODER-Glied (96), dem die Durchschaltsignale (auf den Leitungen 52) zugeführt sind, und einen monostabilen Multivibrator (94) enthält, der mit dem Ausgang des ODER-Gliedes verbunden ist und das Austastsignal (Fig. 4h) liefert.
7. Leistungswandlersystem nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis

6 zur Umwandlung von Wechselstromleistung in eine Wechselstromleistung veränderlicher Frequenz über eine Gleichstromverbindungsschaltung, bei welcher die Leistungsgleichstromquelle eine steuerbare Gleichrichterschaltung (10) enthält, die mit der Leistungswechselstromquelle (L₁, L~, L-J gekoppelt ist und einen Gleichstrom veränderlicher Größe an die Gleichstromverbindungsschaltung liefert und bei der die erwähnten gesteuerten Gleichrichter der Wechselrichterschaltung die Wechselstromleistung veränderlicher Frequenz liefern, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Signal proportional dem Wert des Stromes (I. ) in der Gleichstromverbindungsschaltung (23 bis 26) ist und daß das vorrangige" Steuersignal der Steuerschaltung (18) der gesteuerten Gleichrichterschaltung (10) zugeführt ist und zur Begrenzung des Ausganges dieser Gleichrichterschaltung dient.
8. Leistungswandlersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung zum Erzeugen des zweiten Signales eine Anordnung (80,82,84) zur Messung der Wechselströme, die in einer Verbindung zwischen der Wechselstromleistungsquelle (L-, L~, L.J und der gesteuerten Gleichrichterschaltung (10) fließen, enthält.
9. Leistungswandlersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daü die Schaltungsanordnung zum Erzeugen des zweiten Signals eine Shunt-Anordnung oder einen Reihenwiderstand (26|in einer Leitung (23) der Gleichstromverbindungsschaltung enthält.
10. Leistungswandlersystem nach Anspruch 1, bei welchem die Quelle eine Quelle veränderlichen Gleichstromes ist und die Wechselrichterschaltung mit diesem Gleichstrom gespeist ist und Wechselstromleistung an eine Last liefert, wobei ferner die Wechselrichterschaltung eine positive und eine

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negative Gruppe von steuerbaren Gleichrichtern sowie eine Mehrzahl von Kommutierkondensatoren enthält,und wobei eine Einrichtung zur Steuerung der Ausgangsfrequenz der Wechselrichterschaltung sowie eine Verbindungsschaltung, die die Gleichstromquelle mit der Wechselrichterschaltung verbindet, um dieser den Gleichstrom zuzuführen, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltungsanordnung (60) zum Erzeugen eines ersten Spannungssignales (auf der Leitung 72) vorgesehen ist, die eine Funktion der Spannungen an den den Gleichrichtern einer positiven Gruppe von Gleichrichtern (31, 32, 33) zugeordneten Kondensatoren (37,38, 39)
ist; daß eine Schaltungsanordnung (62) zum Erzeugen eines zweiten Spannungssignales vorgesehen ist, das eine Funktion der Spannungen
an den Kondensatoren (47,48,49) ist, die den Gleichrichtern einer negativen Gruppe von Gleichrichtern (41,42, 43) zugeordnet ist; daß die
Vorrangsteuerschaltung (74, 106, 110) auf das erste und das zweite
Kondensatorspannungssignal (auf den Leitungen 72 und 108) sowie auf
das Stromsignal (auf der Leitung 88) anspricht und ein vorrangiges
Steuersignal erzeugt, das der Schaltungsanordnung (18) zur Steuerung
der Größe des Gleichstromes zugeführt ist und erzeugt wird, wenn eine
bestimmte Beziehung zwischen mindestens einem der Kondensatorspannungssignale und dem Gleichstromsignal besteht.

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