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Steuerverfahren zum kreisstromlosen Betrieb von Stromrichtern in Umkehrschaltung
Für die Speisung elektromotorischer Antriebe ist es bekanntlich in vielen Fällen
vorteilhaft, Stromrichter zu verwenden, die sich mit Aufwendung sehr kleiner Steuerleistungen
praktisch trägheitslos steuern und regeln lassen. Hierbei kommen diese Stromrichter
sowohl zur Lieferung des Ankerstromes als auch des Feldstromes zur Anwendung.
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Mit Rücksicht auf die Notwendigkeit, bei derartigen Antrieben die
Drehzahl des Läufers zu ändern oder den Drehsinn zu wechseln, ist es erforderlich,
die Richtung des beispielsweise den Anker durchfließenden Gleichstromes umzukehren.
Dies wird bekanntlich bei Verwendung von Mehranoden-Stromrichtergefäßen durch die
sogenannte Kreuzschaltung, bei Verwendung von Einanoden-Stromrichtergefäßen durch
die sogenannte Gegenparallelschaltung ermöglicht. Diese beiden Schaltungsarten von
Stromrichtern sollen weiterhin unter der Bezeichnung »Umkehrschaltungen« zusammengefaßt
werden.
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Die Steuerung der Stromrichter dieser Schaltungen wird im allgemeinen
so geregelt, daß die mittlere Gleichspannung des für die eine Stromrichtung bestimmten
Stromrichters mit der mittleren Gleichspannung des für die andere Stromrichtung
bestimmten Stromrichters nahezu übereinstimmt. Hierbei ist das Me.hranodengefäß
bzw. sind die Einanodengefäße des einen Stromrichters auf Gleichrichterbetrieb gesteuert,
während die des anderen Stromrichters auf Wechselrichterbetrieb gesteuert sind,
und umgekehrt. Bei dieser Steuerung kann der Gleichstrom ohne merkliche Verzögerung
alle positiven Werte bis herab zu Null und nach dem Nulldurchgang alle negativen
Werte durchlaufen, da beide Stromrichter jederzeit zur Stromführung bereitstehen.
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Infolge der unterschiedlichen Steuerung der Stromrichter auf Gleichricher-
und Wechselrichterbetrieb stimmen indessen die Gleichspannungen auch bei gleichen
Mittelwerten nicht in ihren Augenblickswerten überein. Ihre Oberwellen haben eine
verschiedene Phasenlage. Infolgedessen bildet sich bei einer solchen Steuerung auf
Gleich- und Wechselbetrieb und gleicher mittlerer Gleichspannung ein impulsmäßig
verlaufender sogenannter Kreisstrom aus.
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Zur Erläuterung dieser bekannten Verhältnisse ist in Fig. 1 ein Stromrichter
in Umkehrschaltung, und zwar beispielsweise in der Kreuzschaltung, wiedergegeben.
Die Stromrichtergefäße S1 und S2, die Mehranodengefäße vorstellen sollen, sind der
Einfachheit wegen als Einanodengefäße dargestellt. Ihre Speisung erfolgt durch die
Transformatoren Trl und Tr2. Die Stromrichtergefäße sind unter Zwischen-Schaltung
der Gleichstromdrossel GD mit dem Anker des Motors M verbunden, dessen Feldwicklung
nicht wiedergegeben ist. Unter der Wirkung der unterschiedlichen Gleichspannungsoberwellen
entsteht der Kreisstrom ix" der durch die sogenannte Kreisstromdrosseln KD
1 und KD 2, die oft auch als Kommutierungsdrosseln bezeichnet werden, begrenzt wird.
Der Verlauf dieses Kreisstromes ist durch die gestrichelte Linie angedeutet.
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Dieser Kreisstrom verursacht zusätzliche Verluste und bedingt einen
zusätzlichen Blindleistungsbedarf. Außerdem bewirken die Kreisstromdrosseln, deren
Eisenkern man aus hochwertigem Material zu fertigen pflegt, eine nicht unbedeutende
Verteuerung der Anlage.
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Zur Erzielung einer kleineren Typenleistung der Kreisstromdrosseln
hat man nun, insbesondere bei Stromrichtern zur Felderregung der Motoren, ein Steuerverfahren
angewendet, bei dem unter Verzicht auf einen völlig stetigen Übergang des Stromes
bei Drehrichtungsumkehr des Motorläufers der Stromrichterteil, der zur Zeit an der
Stromführung nicht beteiligt ist, auf maximale Wechselrichteraussteuerung gehalten
und erst im Bedarfsfalle die Betriebsweise der Stromrichter getauscht wird. Nach
diesem Ablösevorgang der Stromführung der beiden Stromrichter wird der vorher stromführend
gewesene
Stromrichter auf maximale Wechselrichteraussteuerung umgestellt.
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Bei diesem Steuerverfahren wird der bei gegebenen Kreisstromdrosseln
fließende Kreisstrom zwar kleiner, aber er läßt sich, insbesondere in der Nähe der
Vollaussteuerung des Gleichrichters, nicht ganz beseitigen.
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Es ist die erste, von der Erfindung gelöste Aufgabe, diesen Kreisstrom
vollständig zu unterdrücken. Die in der geschilderten Weise gesteuerten Stromrichter
in Umkehrschaltung haben außerdem noch den Nachteil, daß der als Gleichrichter wirksame
Stromrichter nur so hoch ausgesteuert werden darf, daß seine mittlere Gleichspannung
der mittleren Gleichspannung des maximal, d. h. unter Einhaltung des sogenannten
Respektabstandes, als Wechselrichter ausgesteuerten Stromrichters entspricht: Dies
bedeutet, daß bei Lieferung eines Gleichstromes 1b die Gleichrichtergleichspannung
nur- um den inneren Spannungsabfall der Stromrichter und Transformatoren größer
als die Wechselrichtergleichspannung werden darf. Infolgedessen bleibt der Gleichrichter
erheblich unterhalb seiner Vollaussteuerung gesteuert, wodurch die Anlage mit einer
gewissen Mindestblindleistung behaftet ist.
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Auch diese zweite Aufgabe, den geschilderten Nachteil zu vermeiden,
wird durch das Steuerverfahren nach der Erfindung gelöst. Das Verfahren ermöglicht
es, die Stromrichter in Gleichrichterbetrieb voll anzusteuern.
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Nach der Erfindung erfolgt die Erzielung eines kreisstromlosen Betriebes
von Stromrichtern in Umkehrschaltung zur Speisung von Verbrauchern mit Gegenspannung
durch Anwendung eines Steuerverfahrens, bei welchem bei Betrieb der Anlage mit einem
den Verbraucher durchfließenden Gleichstrom gleichbleibender Richtung und Höhe nur
der zur Führung von Strömen dieser Richtung in Betracht kommende (erste) Stromrichter
zur Stromführung veranlaßt wird, während der andere (zweite) Stromrichter vollständig
gesperrt ist, wobei zu Beginn einer gewünschten Richtungsumkehr des Gleichstromes
zunächst die Gitterspannungsimpulse des bisher stromführenden (ersten) Stromrichters
in ihrer Phasenlage in Richtung auf die mit Rücksicht auf den Respektabstand äußerste
Wechselrichteraussteuerung verschoben und dieser Stromrichter bei Nullwerden des
Gleichstromes vollständig gesperrt wird, wonach der für die neue Stromrichtung in
Betracht kommende (zweite) Stromrichter zur Stromführung veranlaßt wird.
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Die Sperrung der Stromrichter kann durch Wegnahme der Gitterspannungsimpulse
erfolgen. Zu demselben Ziel kann bei dem betreffenden Stromrichter auch der Erregerlichtbogen
des zu diesem Stromrichter gehörenden Stromrichtergefäßes bzw. der zugehörigen Gefäßgruppe
durch Abschaltung des Erregerstromes gelöscht werden. Im letzteren Fall wird die
Gefahr einer Durchzündung vermieden.
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Die Durchführung des geschilderten Steuerverfahrens kann erfindungsgemäß
durch eine Steuereinrichtung erfolgen, die einerseits aus zwei der Steuerung der
Stromrichter dienenden Gittersteuergeräten mit je drei Eingängen besteht, wobei
über den ersten Eingang die Phase mit der von den Gittersteuersätzen abgegebenen
Gitterspannungsimpulse mittels eines den Gleichstrom überwachenden Reglers verstellt
wird, über den zweiten Eingang die Phase der Gitterspannungsimpulse auf äußerste
Wechselrichteraussteuerung verstellt wird und über den dritten Eingang die Gitterspannungsirnpulse
ganz unterdrückt werden und die andererseits aus logisch wirkenden Schaltelementen,
bestehend aus monostabilen Multivibratoren (Triggem), aufgebaut ist, die in einer
noch weiter erläuterten Weise gemäß dem Verfahren zusammenwirken. Statt der Wegnahme
der Gitterspannungsimpulse kann mittels der Schaltelemente auch die bereits erwähnte
Löschung der Erregerlichtbogen des Stromrichtergefäßes oder der Gefäßgruppen erfolgen,
wobei die Gittersteuergeräte nur je zwei Eingänge zu haben brauchen.
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Ein Beispiel einer solchen Steuereinrichtung, angewendet auf die Ankerstromregelung
eines elektromotorischen Antriebes, bei welchem die Stromrichter zur Ankerstromspeisung
dienen, ist in Fig.2 als Wirkschaltbild wiedergegeben.
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Darin ist die Umkehrschaltung für das Beispiel der Gegenparallelschaltung
symbolisch dargestellt durch die beiden Stromrichtergefäße S1 und S2, von denen
das eine für positive Ankerströme 1A> 0, das andere für negative Ankerströme
1A < 0 stromführend ist. Die Bestimmung des Istwertes des Ankerstromes
1,4 1,t erfolgt mittels des als Gleichstromwandler ausgebildeten Stromwandlers GW.
Die Steuerung der Stromrichter S1 und S2 erfolgt mittels der durch die Gittersteuergeräte
GS 1 und GS 2 gebildeten Gitterspannungsimpulse. Jedes Gittersteuergerät hat drei
Eingänge. Der erste dieser Eingänge ist mit je einem Ausgang des Regelverstärkers
R verbunden, auf den eine in dem Vergleichsglied V gebildete, der Regelabweichung
des Ankerstromes proportionale Spannung einwirkt. Über diesen ersten Eingang der
Gittersteuersätze erfolgt über die Verstellung der Phase der Gitterspannungsimpulse
durch den aus dem Vergleichsglied V und dem Regelverstärker R bestehenden Regler
des Ankerstromes.
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Über den zweiten Eingang WR 1 bzw. WR 2 der Gittersteuersätze erfolgt
unabhängig von der Einwirkung des Regelverstärkers R eine Verstellung der Phase
der Gitterspannungsimpulse in die äußerste Wechselrichteraussteuerung des betreffenden
Stromrichters. Unter äußerster Wechselrichteraussteuerung wird die mit Rücksicht
auf den sogenannten Respektabstand maximal mögliche Aussteuerung verstanden.
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Über den dritten Eingang Sp l bzw. Sp 2 erfolgt unabhängig
von der Einwirkung des Regelverstärkers R eine Wegnahme der Gitterspannungsimpulse,
was zu einer vollständigen Sperrung des Stromrichters führt. Statt der Wegnahme
der Gitterspannungen kann eine Abschaltung des Erregerlichtbogens des Gefäßes oder
der Gefäßgruppe des betreffenden Stromrichters mit nicht wiedergegebenen Schaltmitteln
durchgeführt werden.
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Die Signale für diese vier Sperreingänge WR 1, WR 2, Sp
1, Sp 2 werden in einer in Fig. 2 wiedergegebenen Schaltung mit logischen
Schaltelementen, bestehend aus vier mit Trigger bezeichneten monostabilen Multivibratoren
Ts, Ti, Tu 1, Tu 2 aus zwei »L'nd«-Gliedern U1, U2 und aus zwei »Oder«-Gliedern
01, 02 gebildet. Der Trigger Ts dient zur Überwachung des Sollwertes des
Ankerstromes IASott und gibt bei positivem Sollwert am oben gezeichneten, bei negativem
Sollwert am unten gezeichneten Ausgang ein Signal ab. Bei Sollwert Null erscheint
ein Signal an beiden Ausgängen.
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Der Trigger Ti dient zur Überwachung des Istwertes des Ankerstromes
1A ist und gibt bei positivem Istwert am oben gezeichneten, bei negativem Istwert
am
unten gezeichneten Ausgang ein Signal ab. Bei Istwert Null erscheint ein Signal
an beiden Ausgängen.
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Der Trigger Tu gibt ein Signal ab, sobald die Ankerspannung
UA positiver ist als die bei äußerster Wechselrichteraussteue.rung mögliche positive
Wechselrichtergleichspannung U"".
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Der Trigger Tu gibt ein Signal ab, sobald die Ankerspannung
UA negativer ist als die bei äußerster Wechselrichteraussteuerung mögliche negative
Wechselrichtergleichspannung U","_.
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Die Ausgänge dieser Trigger sind über zwei »Und«-Glieder U1 und U2
sowie zwei »Oder«-Glieder 01 und 02 mit den vier Sperreingängen
WR 1, Sp 1, WR 2, Sp 2 der beiden Gittersteuersätze verbunden.
In je eine Eingangsleitung der »Oder«-Glieder ist ein der Inversion des Signals
dienendes Glied eingeschaltet. Diese als »Nicht«-Glieder bekannten Umkehrglieder
sind mit N 1 und N 2 bezeichnet.
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Durch diese logisch wirkenden Schaltelemente wird der zu einem Gittersteuergerät
gehörige Stromrichter über einen der Eingänge WR I oder WR 2
durch
Verschieben der Phase der Gitterspannungsimpulse in die mit Rücksicht auf den Respektabstand
äußerste Wechselrichteraussteuerung gebracht, wenn der Sollwert des Ankerstromes
ein solches Vorzeichen hat, daß der betreffende Stromrichter entweder den Strom
nicht liefern kann oder wenn der Sollwert Null ist.
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Ferner wird der Stromrichter über einen der Eingänge Sp
1 oder Sp 2 vollständig gesperrt, wenn der Sollwert
des Ankerstromes so gerichtet ist, daß der betreffende Stromrichter den Strom nicht
liefern kann und gleichzeitig der Istwert des Ankerstromes auf Null abgesunken ist.
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Schließlich wird diese Sperrung des betreffenden Stromrichters über
einen der Eingänge Sp 1 oder Sp 2
mittels eines zugehörigen »Oder«-Gliedes
01 oder 02 aufrechterhalten, wenn entweder die Ankerspannung größer ist als
die mögliche Wechselrichtergleichspannung oder eine für den Wechselrichterbetrieb
falsche Polarität hat.
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Nach dieser prinzipiellen Funktionsbeschreibung soll das Steuerverfahren
für ein Anwendungsbeispiel durch Angabe der Verfahrensschritte und Wiedergabe des
zeitlichen Verlaufes des Ankerstromes, der Ankerspannung, der Drehzahl des Motors
und der Stromrichterspannungen erläutert werden. Hierbei erweist es sich in gewissen
Fällen als zweckmäßig, während des Steuereingriffes den normalerweise konstant gehaltenen
Erregerstrom des Feldes des Motors ebenfalls vorübergehend zu vermindern, wie im
folgenden näher erläutert wird.
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Es soll das Beispiel betrachtet werden, daß der Motor, ausgehend von
einer Drehzahl n1 in der Nähe der Grunddrehzahl und einer Ankerspannung UA in der
Nähe der der Vollsteuerung entsprechenden maximalen Gleichrichterspannung U,(),
um einen bestimmten Betrag abgebremst werden soll, so daß am Ende dieses Vorganges
die verminderte Drehzahl n.2 eintritt. Die bei dem hierzu durchgeführten Steuerverfahren
eintretenden seitlichen Verläufe der Ströme, Spannungen und der Drehzahl sind in
Fig. 3 dargestellt.
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Zunächst laufe der Motor mit konstanter Drehzahl n1. Der Sollwert
1A Soll des Ankerstromes 1A ist positiv und so groß, daß der entsprechende Istwert
des Ankerstromes 1A ist zur Deckung des Last-Drehmomentes ausreicht. Der Ankerstrom
wird vom Stromrichter S 1 geliefert, dessen maximale Gleichspannung U9" etwas über
die Ankerspannung UA liegt. Der Feldstrom 1F ist ebenfalls konstant.
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Der zur Verminderung der Drehzahl von n1 auf n2 erforderliche Bremsvorgang
wird zur Zeit to dadurch eingeleitet, daß der bisher positive Sollwert 1A SOlr des
Ankerstromes auf einen bestimmten negativen Sollwert umgestellt wird. Dadurch wird
der bisher im Gleichrichterbetrieb ausgesteuerte Stromrichter S 1 über den Eingang
WR 1 des Gittersteuergerätes GS 1
in den Wechselrichterbetrieb umgesteuert,
was an dem Wechsel der bisher positiven Gleichrichtergleichspannung U"" in die negative
Wechselrichtergleichspannung U""_ erkennbar ist. Der Ankerstrom mit dem Istwert
AAt" klingt ab und ist zur Zeit t1 Null.
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In diesem Augenblick t, wird der Stromrichter S 1
über den Eingang
Sp 1 des Gittersteuersatzes GS 1
vollständig gesperrt. Hiernach dürfen
jedoch die Gitterspannungsimpulse des Stromrichters S 2 noch nicht zugeschaltet
werden, da die Ankerspannung UA noch höher ist als die maximale Wechselrichtergleichspannung
Uw"+.
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Um die Ankerspannung UA möglichst schnell unter den Betrag der maximalen
Wechselrichtergleichspannung U,y" zu reduzieren, kann durch eine nicht wiedergegebene
Einrichtung veranlaßt werden, daß durch den Trigger Tu 1 (Fig. 2)
der Feldstrom des Motors herabgesetzt wird, so daß die Ankerspannung UA absinkt.
Im Zeitpunkt t2 soll diese den Wert U""+ erreicht haben. Wird diese Feldschwächung
nicht vorgesehen, so dauert es etwas länger, bis die Ankerspannung unter den Wert
U"" abgesunken ist.
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In dem Augenblick t2 wird die bisherige Sperrung des Stromrichters
S 2 aufgehoben. Durch den Regelverstärker R in Verbindung mit dem Vergleichsglied
V wird die Gleichspannung des als Wechselrichter ausgesteuerten Stromrichters auf
einen Wert eingestellt, der etwas unterhalb der Ankerspannung UA liegt.
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Dadurch bekommt der Motor wieder die Möglichkeit, Ankerstrom in den
Wechselrichter einzuspeisen, was dazu führt, daß die Drehzahl schnell absinkt. Im
gleichen Maß wird der Feldstrom 1F wieder auf seinen ursprünglichen Wert gebracht.
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Im Zeitpunkt t3 soll die gewünschte Drehzahl n2 erreicht sein. Dann
wird der Sollwert des Ankerstromes umgekehrt, was dazu führt, daß der Stromrichter
S 2 über den Eingang WR 2 des Gittersteuergerätes GS2 in die äußersten
Wechselrichteraussteuerungen gebracht wird. Hierdurch klingt der Ankerstrom ab,
bis er im Zeitaugenblick t4 den Wert Null erreicht hat. In diesem Augenblick wird
der Stromrichter S 2 über den Eingang Sp 2 des Gittersteuersatzes
GS2 vollständig gesperrt.
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Im gleichen Augenblick t4 wird der Stromrichter S 1
wieder mit
Gitterspannungsimpulsen angesteuert. Seine Gleichspannung wird mittels des Regelverstärkers
R in Verbindung mit dem Vergleichsglied V so eingestellt, daß sie etwas oberhalb
der Ankerspannung liegt, so daß ein Ankerstrom in der ursprünglichen Richtung zu
fließen beginnt.
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Entsprechende Vorgänge spielen sich bei anderen Drehzahländerungen,
z. B. bei einer Umkehr der Drehrichtung, ab.
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Die Erfindung ist nicht an das behandelte Ausführungsbeispiel gebunden,
sondern läßt noch mancherlei
Abänderungen dieses Beispiels zu.
Soll z. B. die Sperrung der Stromrichter nicht durch Wegnahme oder Unterdrückung
der Gitterspannungsimpulse, sondern durch Abschaltung der Hilfserregung erfolgen,
so können die in dem Beispiel gemäß der Fig. 2 den Eingängen Sp 1 und Sp
2 zugeleiteten Signale der »Oder«-Glieder 01 und OZ zur Betätigung
einer Schaltvorrichtung dienen, die die Zünd- und Erregereinrichtung der Stromrichtergefäße
oder der Gefäßgruppen ein- und ausschaltet.
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Die Verstellung der Sollwerte des Ankerstromes je nach den beabsichtigten
Änderungen des Betriebszustandes des Motors können beispielsweise von Hand oder
auch in an sich bekannter Weise durch eine übergeordnete Regelvorrichtung, etwa
einen Drehzahlregler, erfolgen.
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Schließlich erweist es sich als möglich, das Steuerverfahren zu vereinfachen,
wenn, beispielsweise durch besondere Zeitglieder der Regelung, Vorsorge getroffen
ist, daß der Sollwert des Gleichstromes sich nur so schnell ändert, daß der Istwert
des Gleichstromes in jedem Augenblick dem Sollwert folgen kann. In dem Fall kann
der zweite Eingang WR der Gittersteuergeräte, über den die Verstellung der Phase
der Gitterspannungsimpulse auf die äußerste Wechselriehteraussteuerung erfolgt,
fortfallen. Es erfolgt dann nötigenfalls nur eine Verstellung der Phase der Gitterspannungsimpulse
in Richtung auf die äußerste Wechselrichteraussteuerung, und zwar über den ersten
Eingang, während die vollständige Sperrung des Stromrichters nach wie vor über den
bisher dritten Eingang Sp geschieht.