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Thyristor-Anordnung
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BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft eine Thyristor-Anordnung. Sie
bezieht sich insbesondere auf gegen einen Spannungsstoß geschützte Thyristor-Anordnung.
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Thyristor-Anordnungen werden in großem Umfange in einem Gleichstrom-Übertragungssystem
zur Übertragung eines elektrischen Gleichstromes, als Thyristor-Anlaßschaltung zum
Starten von Synchronmotoren oder ähnlichem verwendet.
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Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Gleichstrom-Übertragungssystems.
Dieses System umfaßt einen Gleichrichter 1, einen Inverter 2, Transformatoren 3
und 7 und Gleichstrom-Übertragungsleitungen 5. Der Wechselstromeingang des Gleichrichters
1 ist über reaktive Elemente 4 für Wechselstrom mit dem Transformator 3 gekoppelt.
Der Gleichstromausgang des Gleichrichters 1 ist über reaktive Elemente für Gleichstrom
14 mit je einem Ende der Gleichstrom-Übertragungsleitungen 5 verbunden. Das andere
Ende jeder der Übertragungsleitungen 5 ist durch reaktive Elemente für Gleichstrom
14 mit dem Gleichstromeingang des Inverters 2 verbunden. Der Gleichrichter 1 und
der Inverter 2 umfassen je eine dreiphasige Brückenschaltung mit sechs Thyristorzweigen
10.
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Jeder der Thyristorzweige 10 weist eine Mehrzahl von Thyristoren 11
auf,. die in Reihe und/oder parallel geschaltet sind.
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Ein dem Transformator 3 zugeführter elektrischer Wechselstrom wird
geeignet übertragen in einen Strom andere Spannung und
über die
reaktiven Elemente für Wechselstrom 4 dem Gleichrichter 1 zugeführt. Der elektrische
Wechselstrom wird so über den Gleichrichter 1 in einen elektrischen Gleichstrom
umgewandelt.
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Die so umgewandelte Gleichspannung wird über die Gleichspannungs-Übertragungsleitungen
5 übertragen und dem Inverter 2 zugeführt. Der so übertragene elektrische Gleichstrom
wird dann zurückverwandelt in einen elektrischen Wechselstrom. Der so zurückverwandelte
elektrische Wechselstrom wird über reaktive Elemente für-Wechselstrom 6 geleitet
und einem Transformator 7 zugeführt, wo die elektrische Spannung geeignet transforrnicrt
wird. In dieser Weise wird die Gleichstromübertragung bewirkt.
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Andererseits weist ein solches System üblicherweise eine Schutzeinrichtung
wie einen Spannungsstoßabsorber, einen Überspannungsableiter oder ähnliches zum
Schutz der oben beschriebenen Thyristoren gegen einen Spannungsstoß wie etwa einen
Licht- bzw.
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Entladungs-Spannungsstoß, einen Schaltspannungsstoß oder ähnliches
auf. Das in Fig. 1 gezeigte System weist einen Leitungsspannungsstoßabsorber 8 auf
jeweils mit einer Reihenschaltung von Kondensator und Widerstand jeweils zwischen
den drei Phasen des Wechselstromeinganges des Gleichrichters 1 und Erde auf.
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Elementspannungsstoßabsorber 13 mit jeweils einer Reihenschaltung
aus einem Kondensator und einem Widerstand sind parallel geschaltet mit einer Mehrzahl
von jeweils einen Thyristorzweig 10 bildenden Thyristoren 11. Zweig-Überspannungsableiter
12 sind jeweils parallel mit den entsprechenden Thyristorzweigen 10 geschaltet.
Der Inverter 2 weist in ähnlicher Weise den Leitungsspannungsstoßabsorber 9, den
Zweig-Überspannungsableiter 12 und den Elementspannungsstoßabsorber 13 auf.
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Die Leitungsspannungsstoßabsorber 8 dienen zum Unterdrücken der Zuführung
eines Spannungsstoßes an den Gleichrichter 1 über den Transformator 3. Der Zweig-Überspannungsableiter
12 dient zum Unterdrücken der Zuführung eines Spannungsstoßes an die je-
weiligen
Thyristorzweige 10. Die Elementspannungsstoßabsorber 13 dienen zum Unterdrücken
der Zuführung eines Spannungsstoßes an die jeweiligen Thyristoren 11. Die Leitungsspannungsstoßabsorber
9, die Zweig-Überspannungsableiter 12 und die Elementspannungsstoßabsorber 13 des
Inverters 2 wirken in derselben Weise.
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Im weiteren wird das Zusammenwirken zwischen der Anzahl der in der
Reihenschaltung enthaltenen Thyristoren 11, einer periodischen Spitzensperrspannung
der Thyristoren 11 und einer Stoßentladungszünd- bzw. Startspannung der oben beschriebenen
Zweig-Überspannungsableiter 12 beschrieben. Beispielsweise betrage bei dem in Fig.
1 gezeigten System die Nennspannung der Transformatoren 3 und 7 110 kV (RMS), und
es werde eine Reihenschaltung von 120 Thyristoren, von denen jeder eine entsprechende
periocische Spitzensperrspannung von 4 kV aufweist, für jeden der Thyristbrarme
bzw. Thyristorzweige 10 verwendet. In dem Fall, in dem eine Impulsentladungs-Anlaßspannung
bzw. Startspannung (die obere Grenze) der Zweig-Überspannungsableiter 12 355 kV
ist und unter der Annahme, daß ein Spannungsverst.immungsfaktor bzw.
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Spannungsungleichgewichtsfaktor in allen der 120 in Reihe geschalteten
Thyristoren 20 % beträgt, kann die im schlechtesten Fall einem Thyristor 11 bei
der Entladung des Zweig-Überspannungsableiters 12 zugeführte Spannung V durch die
folgende Glei-5 chung ausgedrückt werden: V = 355 x 1.2 = 3.55 (kV) .......... (1)
s 120 Wenn in anderen Worten die Zweig-Überspannungsableiter 12 bei 355 kV mit einem
äußeren Lichtspannungsstoß bzw. Lichtentladungsspannungsstoß oder ähnlichem entladen
werden, dann wird eine Spannung von maximal 3.55 kV zu einem Thyristor 11 zugeführt.
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Da aber die periodische Spitzensperrspannung des Thyristors 11
4
kV beträgt wie vorher beschrieben, werden die Thyristoren 11 nicht zerstört. Die
oben beschriebene Relation wird im Detail in der nachfolgenden Tabelle gezeigt.
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TABELLE Max.vorgesehene Betriebsspannung 480 kV (4 kV x 120s = 400
kV x 1,2) Max. Spannung, die die Thyristorventile aushalten 400 kV (= 355 kV x 1,13)
Anfangsspannung beim Entladeimpuls (obere Grenze) des Zweig-Überspannungsabl ei
ters 355 kV Spitzenwert der maximalen Wiederholungsspannung (Spannungsschwankung
durch Schalten) 205 kV (= 171 kV x 1,2) Spitzenwert der Wechselstrom-Nennspannung
bei einer Quellen-Spannungs-Fluktuation 171 kV (= 155 kV x 1,1) Spitzenwert der
Wechselstrom-Nennspannung 155 kV (110 kVrms x 5) Wechselstrom,Nennspannung 110 kVrms
Andererseits sind herkömmliche Thyristor-Apparaturen so ausgebildet, daß die Thyristoren
11 angeschaltet werden können, wenn eine periodische Spitzensperrspannung von 4
kV zugeführt wird, unter Berücksichtigung eines Falles, bei dem ein Gate-Signal
den Thyristoren.11 zum In-Arbeitsstellung-Schalten.zugeführt wird, während die Zweig-Überspannungsableiter
12 über einen externen Licht- bzw. Entladungsspannungsstoß oder ähnliches entladen
worden sind. Genauer gesagt benötigt das Anschalten der Thyristoren 11 Zeit, um
alle Thyristor-Elemente anzuschalten, mit dem Ergebnis, daß ein Leistungsverlust
bewirkt wird, der als Schaltver-
lust bezeichnet wird. Je höher
die zugeführte Spannung bei abgeschalteten Thyristoren 11 ist, je größer ist der
Schaltverlust. Gewöhnliche Thyristoren können nur angeschaltet werden, wenn eine
Spannung kleiner als die Hälfte der periodischen Spitzensperrspannung zugeführt
wird. Damit, wie oben beschrieben, die Thyristoren 11 selbst dann angeschaltet werden
können, wenn eine Spannung von nahezu 1000 der periodischen Spitzensperrspannung
zugeführt wird, müssen die Thyristoren 11 stark genug sein, um dem Schaltverlust
zu widerstehen. Es ist nachteilig, daß der interne Aufbau der Gates der Thyristoren
11 kompliziert wird und die Thyristoren 11 groß werden. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß die Thyristor-Anordnung als Ganzes groß wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Thyristor-Anordnung zu sch&ffen,
bei der ein bezüglich Schaltverlust schwächerer Thyristor und damit Thyristor mit
kleinerer Abmessung mit einfachem Gate-Aufbau Verwendung finden kann.
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Ferner soll eine billigere Thyristor-Anordnung durch Verwendung von
billigeren Thyristoren geschaffen werden.
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Weiter soll eine Verwirklichung einer Thyristor-Anordnung mit kleiner
Abmessung durch Verwenden von einem Thyristor kleiner Abmessung erreicht werden.
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Der Betrieb und die Wartung der Thyristor-Anordnung soll durcn vereinfachte
Beschaffung eines Thyristors verbessert werden.
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Die Thyristor-Anordnung soll einen weiten Anwendungsbereich haben
wie etwa bei einem Gleichstrom-Übertragungssystem, einer Frequenzwandler-Einrichtung,
eier Thyristor-Starteinrichtung für einen Synchronmotor und ähnliches.
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Diese Aufgabe wird durch eine Thyristor-Anordnung der eingangs
beschriebenen
Art gelöst, die gemäß der Erfindung gekennzeichnet ist durch wenigstens einem Thyristor,
eine mit dem Thyristor gekoppelte Gate-Signal erzeugende Einrichtung zum Liefern
eines Gate-Signales an den Thyristor, eine parallel mit dem Thyristor geschaltete
Überspannungsableitereinrichtung zum Schützen des Thyristors gegen einen Spannungsstoß,
eine mit der Überspannungsableitereinrichtung gekoppelte Überspannungsableiter-Entladungs-Detektionseinrichtung
zum Detektieren einer Entladung der Überspannungsableitereinrichtung, und eine mit
der Überspannungsableiter-Entladungs-Detektiereinrichtung und der Gate-Signal erzeugenden
Einrichtung gekoppelte Gate-Signal-Blockiereinrichtung, die anspricht auf das Ausgangssignal
von der Überspannungsableiter-Entladungs-Detektiereinrichtung zum Abschalten der
Gate-Signal erzeugenden Einrichtung.
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Nach der Erfindung arbeitet der Thyristor in seinem Normalzustand
in einer vorbestimmten Konverteroperation als Antwort auf das von der Gate-Signal
erzeugenden Einrichtung erhaltene Gate-Signal; wenn der Überspannungsableiter aber
durch einen Spannungsstoß wie einen dem Thyristor zugeführten äußeren Licht-bzw.
Entladungsspannungsstoß entladen wird, dann wird die Entladung durch die Überspannungsableiter-Entladungs-Detektiereinrichtung
detektiert, und die Gate-Signal-Blockiereinrichtung spricht auf das Ausgangssignal
von der Überspannungsableiter-Entladungs-Detektiereinrichtung an und schaltet die
Gate-Signal-Erzeugungseinrichtung ab, worauf von der Gate-ignal-Erzeugungseinrichtung
kein Gate-Signal erhalten wird und daher der Thyristor nicht'angeschaltet-wird.
Dadurch wird der Thyristor nicht angeschaltet, wenn eine abnormale Spannung zugeführt
wird, und dadurch wird die Erzeugung übermäßiger Schaltverluste verhindert. Durch
die Erfindung wird somit die Verwendung eines besonders starken Thyristors für einen
Schaltungsverlust überflüssig.
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Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung' ergeben sich
aus
der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Gleichstrom-Übertragungssystems, bei dem die Erfindung
in vorteilhafter Weise Anwendung finden kann; und Fig. 2 ein Blockschaltbild einer
Ausführungsform der Erfindung.
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Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung.
Insbesondere zeigt Fig. 2 ein Blockschaltbild des Thyristorzweiges 10 und der Gate-Signal
erzeugenden Schaltung dafür in dem in Fig. 1 gezeigten System. Die Anschlüsse A
und B in Fig. 2 entsprechen den Anschlüssen A und B,in Fig. 1.
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Wie bereits ausgeführt wurde, umfaßt der Thyristorzweig 10 eie Reihenschaltung
von beispielsweise 120 Thyristoren 11. Aus der Reihe der Thyristoren 11 ist die
Kathode des Thyristors 11 an einem Ende mit dem Anschluß A und die Anode des Thyristors
11 an dem anderen Ende mit dem Anschluß B verbunden. Unterdessen wird eine Reihen-
und/oder Parallelschaltung einer Mehrzahl von Thyristoren 11 als Thyristor-Ventil
bezeichnet. Ein Elementspannungsstoßabsorber 13 mit einer Reihenschaltung aus Kondensator
und Widerstand ist parallelgeschaltet mit jedem der Thyristoren 11. Ferner ist ein
Element-Nebenschlußwiderstand parallelgeschaltet mit jedem der Thyristoren 11, um
so eine Verstimmung der jedem der Thyristoren 11 zugeführten Spannung zu verkleinern.
Ein Ende des Zweig-Überspannungsableiters 12 ist mit dem Anschluß A und das andere
Ende des Zweig-Überspannungsableiters 12 mit dem einen Ende eines Spannungsteiler-Widerstandes
16 verbunden. Das andere Ende des Spannungsteiler-Widerstandes 16 ist mit dem Anschluß
B verbunden. Jede der elektrischen Gate-Signal erzeugenden Schaltungen 19 ist zwischen
das Gate und die Kathode jedes der Thyristoren 11 geschaltet. Jede der elektrische
Gate-Signal erzeugenden Schaltung 19 weist ein
lichtempfangendes
Element 19a auf. Eine Licht-Gate-Signal erzeugende Schaltung 17 ist durch jeweils
einen Lichtleiter 18 mit jeder der ein elektrisches Gate-Signal erzeugenden Schaltungen
19 verbunden. Die ein Licht-Gate-Signal erzeugende Schaltung 17 weist eine Reihenschaltung
aus lichtemittierenden Elementen 17a auf, deren Anzahl der Anzahl der elektrischen
Gate-Signal erzeugenden Schaltungen 19 entspricht. Eine ein Signal zum Schalten
des Gates in Arbeitsstellung (Gate-Freigabesignal) erzeugende Schaltung 25 ist durch
ein AND Gate 24 mit dem Eingang der Gate-Lichtsignal erzeugenden Schaltung 17 verbunden.
Andererseits ist eine Entladungsdetektions-Lichtsignal erzeugende Schaltung 2Q mit
dem oben beschriebenen Spannungsteiler-Widerstand 16 verbunden. Die Entladungsdetektions-Lichtsignal
erzeugende Schaltung 20 weist ein lichtemittierendes Element 20a auf. Das Ausgangssignal
der Entladungsdetektions-Lichtsignal erzeugenden Schaltung 20 ist mit dem Eingang
einer Entladungsdetektions-Lichtsignal empfangenden Schaltung 22 über einen Lichtleiter
21 verbunden. Die Entladungsdetektions-Lichtsignal empfangende Schaltung 22 weist
ein lichtempfangendes Element 22a auf. Der Ausgang der Entladungsdetektions-Lichtsignal
empfangenden Schaltung 22 ist mit einem Eingang des AND Gates 24 über ein NICHT
Gate 23, im weiteren als Inverter bezeichnet, verbunden. Auf diese Weise bilden
die Entladungs-Detektions-Lichtsignal empfangende Schaltung 22, der Inverter 23,
das AND Gate 24, die ein Gate in Arbeitslage schaltendes Signal erzeugende Schaltung
25 und die Gate-Lichtsignal erzeugende Schaltung 17 einen Niederspannungskreis 26.
Ähnlich bilden die das elektrische Gate-Signal erzeugende Schaltung 19, die Thyristoren
11, der Elementspannungsstoßabsorber 13, der Nebenschlußwiderstand 15, der Zweig-Überspannungsableiter
12, der Spannungsteilerwiderstand 16 und die Entladungsdetektions-Lichtsignal erzeugende
Schaltung 20 einen Hochspannungskreis 27.
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Im weiteren wird der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Schaltung beschrieben.
Zunächst wird der Betrieb eines Normalzustandes be-
schrieben,
in dem der Zweig-Überspannungsableiter 12 nicht entladen wird. Der Thyristorzweig
10 bildet eine Dreiphasenbrücke, wie dies als Beispiel in Fig. 1 gezeigt ist, so
daß eine Gleichrichtung zum Umwandeln eines Wechselstromes in einen Gleichstrom
bewirkt wird oder umge-dreht eine Inverteroperation zum Umwandeln eines Gleichstromes
in einen Wechselstrom durchgeführt wird.
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Die Gate in Arbeitsstellung schaltende Signal erzeugende Schaltung
25 erzeugt ein Gate-Freigabesignal S1 zu einer vorbestimten Zeit zum Durchführen
einer vorbestimmten Gleichrichtungsoperation oder Inverteroperation und liefert
dasselbe an das AND Gate 24. Die Gate in Arbeitsstellung schaltende Signal erzeugende
Schaltung 25 kann ein Zündsignalgenerator mit Anwendung eines Spannungssteueroszillators,wie
in den US-PS 2,467,765, 3,047,789 und 3,197,691 und in der US-Patentanmeldung 382,015
beschrieben, sein. Auf diese US-Patentschriften und die US-Patentanmeldung wird
Bezug genommen.
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Das AND Gate 24 bildet ein logisches Produkt aus dem Gate in Arbeitslage
schaltenden Signal S1 und dem Ausgangssignal des Inverters 23, so daß es das Gate
in Arbeitsstellung schaltende Signal Sol., welches von der Gate-Freigabe-Signal
erzeugenden Schaltung 25 kommt, an die Gate-Lichtsignal erzeugende Schaltung 17
liefert, wenn das Ausgangssignal des Inverters 23 auf hohem Niveau liegt. Die Gate-Lichtsignal
erzeugende Schaltung 17 spricht auf das Gate-Freigabesignal S1 in der Weise an,
daß sie gleichzeitig von allen lichtemittierenden Elementen 17a Licht emittiert,
und die Gate-Lichtsignale S2 werden den entsprechenden elektrisches Gate-Signal
erzeugenden Schaltungen 19 über die Lichtleiter 18 zugeführt. Die simultane Emission
des Lichtes von allen lichtemittierenden Elementen 17 hilft beim gleichzeitigen
Anschalten von allen der Mehrzahl der Thyristoren 11. Die Lichtleiter 18 werden
verwendet, damit der oben beschriebene Niederspannungskreis 26 und der Hochspannungskreis
27 elektrisch isoliert werden. Wenn die jeweiligen elektrisches Gate-Signal erzeugenden
Schaltungen 19 mit den Gate-Lichtsigna-
len S2 beaufschlagt werden,
werden die Gate-Lichtsignale durch die lichtempfangenden Elemente 19a in elektrische
Signale umgewandelt, und als Ergebnis davon werden elektrische Gate-Signale S3 jeweils
zwischen dem Gate und der Kathode von jedem der Thyristoren 11 zugeführt. Wenn die
entsprechenden Thyristoren 11 jeder mit dem elektrischen Gate-Signal S3 beaufschlagt
werden, werden sie simultan angeschaltet. Als Ergebnis davon bewirkt der Thyristorzweig
10 die oben beschriebene Gleichrichteroperation oder Inverteroperation.
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Im folgenden wird der Betrieb des in Fig. 1 gezeigten SchaStdiagrammes
beschrieben, wenn der Zweig-Überspannungsableiter 12 entladen wird durch einen äußeren
Licht- oder Entladungsspannungsstoß oder ähnliches. Wenn der Thyristorzweig 10 mit
einem Spannungsstoß mit einer Spannung höher als der Impulsentladungsstartspannung
(in der gezeigten Ausführungsform 355 kV wie vorher beschrieben) des Zweig-Überspannungsableiters
12 beaufschlagt wird, wird der Zweig-Überspannungsableiter 12 entladen.
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Ein Entladungsstrom fließt durch den Spannungsteilerwiderstand 16
infolge der Entladung des Zweig-Überspannungsableiters 12, wodurch die resultierende
Spannung durch den Spannungsteilerwiderstand 16 geteilt wird in eine für eine Operation
der Entladungsdetektions-Lichtsignal erzeugenden Schaltung 20 geeignete Spannung.
Wenn das elektrische Signal als geteilte Spannung zugeführt wird, bewirkt die Entladungsdetektions-Lichtsignal
erzeugende Schaltung 20, daß das lichtemittierende Element 20a Licht emittiert und
ein Entladungsdetektions-Lichtsignal S4 über den Lichtleiter 21 zu der Entladungsdetektions-Lichtsignal
empfangenden Schaltung 22 geliefert wird. Der Lichtleiter 21 wird verwendet, um
den Niederspannungskreis 26 und den Hochspannungskreis 27 elektrisch zu isolieren.
Wenn das Entladungsdetektions-Lichtsignal S4 zugeführt wird, bewirkt die Entladungsdetektions-Lichtsignal
empfangende Schaltung 22, daß das Entladungsdetektions-Lichtsignal S4 durch die
lichtempfangenden Elemente 22a in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, und
das Hoch-Niveau-Signal wird dem Inverter 23 zugeführt. Der In-
verter
23 spricht auf das Hoch-Niveau-Signal von der Entladungsdetektions-Lichtsignal empfangenden
Schaltung 22 an und invertiert das Ausgangssignal von dem hohen Niveau in das niedrige
Niveau. Wenn das Ausgangssignal von dem NOT Gate bzw. Inverter 23 auf das niedrige
Niveau geht, wird von dem AND Gate 24 kein logisches Produkt-Ausgangssignal mehr
erhalten, und dadurch wird das Gate in Arbeitsstellung schaltende Signal S1 von
der Gate-Freigabeschaltung 25 durch das AND Gate 24 blockiert und kann der Gate-Lichtsignal
erzeugenden Schaltung 17 nicht zugeführt werden. Das Gate-Freigabesignal S1 ist
nicht ein kontinuierliches Signal sondern ein Impuls'signal, welches mit einer vorbestimmten
Zeitsteuerung erhalten wird; der Zeitabschnitt von der Entladung des Zweig-Überspannungsableiters
12 bis zum Abschalten des AND Gates 24 ist sehr kurz, etwa einige Rs, und daher
wird das, Gate in Arbeitsstellung schaltende Signal S1 der Gate-Lichtsignal erzeugenden
Schaltung 17 während dieser Zeitperiode nicht zugeführt.
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In einem Fall, in dem eine abnormale Spannung dem Thyristorzweig infolge
eines äußeren Licht- bzw. Entladungsspannungsstoßes oder ähnlichem zugeführt wird,
werden die Thyristoren 11 also nicht in Arbeitsstellung gebracht, selbst wenn das
Gate-Freigabesignal S1 von der Gate-Freigabesignal erzeugenden Schaltung 25 geliefert
wird. Entsprechend wird kein überaus großer Schaltungsvelust in den Thyristoren
11 bewirkt. Deshalb müssen die Thyristor ren 11 nicht einem Schaltverlust entsprechend
stark ausgelegt sein.
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Obwohl die Erfindung im obigen als in einem Gleichspannungs-Übertragungssystem
enthalten beschrieben worden. ist, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Sie
kann vielmehr bei anderen Anwendungen, wie etwa einem Frequenzwandler, einer Thyristor-Anlaßschaltung
für einen Synchronmotor und ähnliches, verwendet werden.
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