DE1463606A1

DE1463606A1 - Anordnung zur Feinregelung von Synchrongeneratoren

Info

Publication number: DE1463606A1
Application number: DE19641463606
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dirr; Waldmann Dipl-Ing Hermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-06-27
Filing date: 1964-06-27
Publication date: 1969-10-23
Also published as: GB1040679A; CH425969A; DE1463606B2; SE329208B; US3373340A

Description

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SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

Erlangen, den 4. Sept. 1968 Werner-von-Siemens-Str. 50

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Anordnung zur Peinregelung von Synchrongeneratoren

Kompounderregte Synchrongeneratoren haben 'den Vorteil der selbsttätigen Anpassung des Erregerstromes an die Jeweilige Belastung,
so daß ohne Regelung eine für viele Fälle zufriedenstellende Span nungskonstanz erreicht wird. Man bezeichnet derartige selbsterreg te Synchrongeneratoren auch als Konstantspannungsgeneratoren.

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(Art 7 g 1 Ab* 2 Nr. I Sate 3 des An**"ungs^«. v. 4, 9, J967I

Für erhöhte Anforderungen an die Konstanz der Generatorspannung, insbesondere auch bei größeren Generatoren, sowie für den Parallelbetrieb von mehreren Generatoren und mit dem Netz ist man schon dazu übergegangen< zusätzlich zu der Kompoundierung Regler vorzusehen. Es ist hierzu bekannt, die Erregung überzukompoundieren ir. dem Sinne, daß sich die dadurch ergebende Spannung geringfügig überhöht, und durch den zusätzlichen Regler den überschüsoigen Erregerstrom" über einen steuerbaren Nebenschlußkreis zu führen. Die vorliegende Erfindung betrifft eine besonders einfache Lösung, bei der lediglich ein einziger gesteuerter Gleichrichter als vor, Zu-.satzregier beaufschlagtes Stellglied in dem Nebenschlußkreis erforderlich ist.

Die Erfindung betrifft' eine Anordnung zur Feinregelung von Synchrongeneratoren mit Seibaterregung über ungesteuerte Gleichrichter und Überlagerung von Grund- und Lastanteil d-es Erregerstromes. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß der Erregergleichrichter in Brückenschaltung ausgebildet ist und ein mit der Abweichung der Generatorapannung von einem Sollwert beaufschlagter Spannungsregler einen steuerbaren Gleichrichter beeinflußt*, dessen Anode über einen V/iderstand an eine Sekundärphase des Erregergleiclirichtertransformators und dessen Kathode direkt am Minuspol des Erregergleichricivters angeschlossen ist. *

Für die Zwecke der Erfindung kommen vor allem Siliziums'tromtore als Stellglieder in Frage. Zur Zündung derselben kann in einer Ausgestaltung der Erfindung eine Zündeinrichtung verwendet 7/erden, weiche eine Doppelbasisdiode enthält, die den Entladestrom eines als Zündhilfe verwendeten Kondensators in Steuerabhängigkeit von der

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Ausgangsgröße des Spannungsreglers durchschaitet. Diese und andere Ausgestaltungen der Erfindung sollen nachstehend anhand der Zeichnung erläutert werden.

In Figur 1 speist der von eine-r nicht weiter dargestellten Kraftmaschine über die Welle 1 angetriebene Drehstromgenerator 2 über die im einzelnen mit R, 8 und T bezeichneten, stellenweise, in einphasiger Darstellung symbolisierten Phasenleiter 4 eine mit 5 bezeichnete Sammelschiene, an der noch weitere Generatoren angeschlossen sein können. Die Erregung des Polrades 6 erfolgt über den aus ungesteuerten Ventilen bestehenden Erregergleichrichter, welcher in Drehstrombrückenschaltung aufgebaut ist. Er wird gespeist von den drei Phasen R¹, S¹ und T¹ eines Transformators 8. Der Transformator 8 weist zwei Primärwicklungen auf, wovon die Wicklung 9 in an sich bekannter Weise einen nur von der Phasenspannung abhängigen Einfluß liefert, was den sogenannten Grundanteil des Erregerstromes bewirkt. Die zweite Primärwicklung 10 wird von einem in die Phasenleitungen geschalteten Stromwandler 11 gespeist und führt zu einem lastabhängigen Anteil des Erregerstromes. Die Überlagerung beider Anteile erfolgt in der Sekundärwicklung des Gleichrichtertransformators 8, wobei diese derart bemessen sind, daß sich eine geringfügige Spannungserhöhung über die Nennspannung einstellt. Dies wird als Überkompoundierung bezeichnet. Aufgabe der Zusatzregelung ist es, in einem parallel zu der Polradwicklung' 6 liegenden Nebenschlußkreis den überschüssigen Erregerstrom in der Weise steuerbar abzuleiten, daß die gewünschte Nenn- bzw. Sollspannung genau eingehalten wird.

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Hierzu ist erfindungsgemäß zwischen einer oekundärphase des Gleichrichtertransformators 8 und dem Minuspol des Erregergleichrichters die Reihenschaltung eines steuerbaren Ventils 12 und eines Widerstandes 13 angeordnet. Durch Öffnen des steuerbaren Ventils 12 wird ein für den von dem Transformator 8 angebotenen Strom ein Parallelweg, ausgehend von der Phase R über eines der Ventile 7 nach den Phasen T oder S, freigegeben. Durch Verändern des Zündzeitpunktes im Sinne einer Anschnittssteuerung für das mit Wechselspannung beaufschlagte Ventil 12 hat man es also in der Hand, mehr oder weniger von dem sonst ausschließlich durch die Erregerwicklung 6 des Polrades fließenden Stromes von derselben abzuleiten.

Da der durch das steuerbare Ventil 12 gebildete Parallelstromkreis unabhängig von der Speisespannung des Erregergleichrichters ic-t, braucht der anodenseitige Widerstand 13 nicht, an die gleiche Sekundärspannung des Gleichrichtertransformators 8 angeschlossen zu werden. Es kann von Vorteil sein, ihn aus Dimensionsgründen mit einer größeren oder kleineren Spannung zu speisen als den Erregergleichrichter. Dies ist durch einen Schalter-39 augedeutet, der den steuerbaren Gleichrichter 12 anodenseitig an eine besondere Anzapfung des Transformators 8 legt-.

Die genaue Konstanthaltung der Spannung der Sammelschierien 5 erfolgt durch einen Zusatzregler 14, der über eine Zündeinrichtung das s.teuerbare Ventil 12 beeinflußt.. Der Istwert der Phasen spannung wird über einen Transformator 16 in sogenannter V-Schaltung zugeführt. Im Primärkreis dieses Transformators liegen die Bürden 17 zweier im Zuge der Phasenleitungen R und T liegenden Stromwandler

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Aufgabe dieser Stromwandler ist es, in an sich bekannter Weise dem Istwert einen blindlastabhängigen Anteil zu überlagern. Durch diese Verfälschung wird ein Statikeinfluß, d.h. ein Abfallen der Generatorspannung bei zunehmender Blindlast, erzielt, wie er insbesondere ». für das Parallelarbeiten mehrerer Generatoren unerläßlich ist. Am Gleichrichterausgang der Brückengleichrichterschaltung 19 entsteht also eine Spannung, welche der Phasenspannung des Generators 2 entspricht, vergrößert um einen blindlastabhängigen Anteil zur Erzielung des erwähnten Statikeinflusses. Der Ausgang der Brückenschältung 19 wird als Istwert dem Eingang eines Spannungsreglers 14 zugeführt und dort mit der als Sollwert, dienenden Durchbruchsspannung einer Zenerdiode 20 verglichen. Je nach Größe der Regelabweichung entsteht am Ausgang 21 eine entsprechende, mittels zweier Transistoren verstärkte Gleichspannung, welche dazu bestimmt ist, den Zündzeitpunkt des Ventils 12 zu bestimmen.

Die Versorgungsspannung der Zündeinrichtung wird von der Arbeitsspannung des Ventils 12 in der Weise erzeugt, daß eine Zenerdiode •in Reihe mit einem Widerstand 23 dem Ventil 12 antiparallel angeordnet ist. Bis zum Zünden des Ventils 12, welchea jeweils während der das Ventil 12 in Durchlaßrichtung beanspruchenden Halbwellen der"Speisewechselspannung erfolgt, entsteht eine auf='einen konstanten Wert begrenzte Spannung an der Zenerdiode 22, welche als Versorgungs- und zugleich als Synchronisierungsspannung der Zündeinrichtung 15 dient.

Der Ladestrom eines Verzögerungskondensators 24 bestimmt in -der Weise den Zündwinkel des Ventils 12, daß durch eine größere Aus-

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gangsspannung des Reglers 14 an der Klemme 21 ein kleinerer'Zündwinkel bewirkt wird als durch eine, kleinere Ausgangsspannung. Dieses wird dadurch erreicht, daß der Emitter des Transistors 25 durcn eine Zenerdioue 26 auf ein konstantes Potential fixiert ist. Es wird sich also über den Widerstand 27 *ein konstanter Strom über die Diode 28 einstellen, während der über den Emitter fließende oteuerstrom des Transistors 25 stets aus der Differenz zwischen dem Lauestrom des Kondensators 24 und dem konstanten Strom durch den .Viaerstand 27 besteht. Der Ladestrom des Kondensators 24 klingt nach einer Expontionalfunktion ab, deren Kennv/erte durch die Zeitkons^ar.-te des Ladekreises und durch die konstante Differenz zwischen den Durchbruchsspannungen der- Zenerdioden 22 und 26 gegeben sind. «Je kleiner die Steuergleichspannung an der Klemme 21 ist, desto grö.3er ist der sich über den Widerstand 27 einstellende konstante Strom, desto eher wird der Steuerstrom des Transistors 25 zu Null. In diesem Augenblick erhöht sich durch Sperrung seiner Basis-Emitterstrecke sein Kollektorpotential, was eine Durchschaltung der Emitter· basisstrecke der Doppelbasisdiode 29 zur Folge hat und die Zündung des Ventils 12 einleitet. Eine Doppelbasisdiode, auch'Unijunction- oder Unipolartransistor genannt, hat die' Eigenschaft, da3 sie ab einer gewissen Steuer- oder Durchschaltspannung voll durchlässig wird, also wie ein geschlossener* mechanischer Schaltkontakt wirkt. Die Höhe der Durchschaltspannung ist dabei abhängig von der Größe eines Basiswiderstandes, bei dem in der Figur dargeatellten Beispiel also von dem Basiswiderstand 30. Nach erfolgter Durchschaltung ist der Kondensator 31 über eine Entkopplungsdiode 32, cie Basis-Emitterstrecke der Doppelbasisdiode 29 sowie über die Zündstrecke des Ventils 12 kurzgeschlossen und liefert den für die Zündung erforderlichen ί Zo^i iUo^ . 909343/0422

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Damit die Zündung der Doppelbasisdiode 29 ausschließlich durch die Kollektorspannung des Transistors 25 und nicht durch die Spannung des Kondensators 31 erfolgt, wird dieser von einer Spannung aufgeladen, welche durch eine Zenerdiode 33 auf einen Spannungswert begrenzt ist, der unterhalb der Durchschaltspannung der Doppelbasisdiode 29 liegt. Diese begrenzte Ladespannung des Kondensators 31 kann, wie im Ausführungsbeispiel dargestellt, von einer 'Wechselspannung gewonnen werden, welche über einen Transformator 34 und eine Doppelweggleichrichterschaltung 35 i3owie einen Widerstand 36 an die Zenerdiode 33 gelegt ist. Große und· Phasenlage der Spannung ti sind an sich beliebig. ,Einziges Erfordernis an sie ist, daß sie dieselbe Frequenz wie die Frequenz der Phasenspannung des Synchrongenerator J aufweist. Anstelle von einer Hilfsspannung U kann der Kondensator "²H auch von der Versorgungsspannung der Zündeinrichtung 15 aufgeladen werden, indem er über einen Widerstand an die Verbindungsleitung des i/iderstandes 2$ mit der Zenerdiode ?2 angeschlossen ist. Auch hier muß die Ladespannung des Kondensators z.B. durch eine besondere Zenerdiode auf einen Wert begrenzt werden, der unterhalb der DurchschaItspannung der Doppelbasisdiode 29 liegt, so daß der Kondensator wohl den Zündstrom' zu liefern vermag, nicht aber seine Spannung die Doppelbasisdiode zu zünden im Stande ist.

Eine besonders einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Spannungsregelung ist in Figur 2 dargestellt. Auch hier .ist wie bei der Anordnung nach Figur 1 die Synchronisierungsspannung für die Zündeinrichtung von der Durchbruchsspannung einer Zenerdiode 22 abgeleitet, welche in Reihe mit dem Widerstand 23 dem zu zündenden Gleichrichterventil 12 antiparallel geschaltet ist.

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Der Spannungsregler 40 ist an die mit "+" und "-" bezeichneten Ausgangsklemmen des in Figur 1 dargestellten Gleichrichters 19 an- · geschlossen zu denken, während der steuerbare Gleichrichter 12 mit der mit "-" bezeichneten Ausgangsklemme des Erregergleiehrichters bzw. mit dem Anodenwiderstand 13 verbunden ist. <

Im.Eingang des Spannungsreglers 40 wird die von dem Gleichrichter gelieferte Istspannung mit der als Sollwert dienenden Durchbruchsspannung der Zenerdiode 20 verglichen. Die so erhaltene Regelabweichung steuert eine aus zwei hintereinander angeordneten Transistoren bestehende Verstärkeranordnung aus und erzeugt zwischen den Ausgangsklemmen 46 und 47 des Spannungsreglers 40 eine der Regelabweichung umgekehrt proportionale, verstärkte Spannung. In der Zündstufe 41 ist ein RC-Glied, bestehend aus dem Widerstand 43 und dem Kondensator 42,vorgesehen, welches jeweils mit Beginn einer in Durchlaßrichtung des steuerbaren Gleichrichters 12 gepolten Speisespannung aufgeladen wird. Die Ladespannung des Kondensators 42 ist im Eingangskreis eines Transistors 44 der der Regelabweichung proportionalen Spannung entgegengeschaltet* Die Zeitkonstante des RC-Gliedes ist so bemessen, daß die Ladespannung des Kondensators annähernd zeitlinear ansteigt. Übersehreitet diese die Spannung zwischen den Klemmen 46 und 47, so wird der Transistor 44 durchlässig gesteuert, worauf dieser dann den ihm nachgeschalteten Transistor 48 in seinen Sperrzustand überführt. Dadurch steigt dessen Koxlektorpotential.an, was eine Zündung des steuerbaren Gleichrichters 12 bewirkt. Diese erfolgt bei einer größeren Regelabweichung jeweils nach Beginn der in Durchlaßrichtung des Ventils 12 gepolten Speiaespannungshalbwelle früher als bei einer kleineren Regelabweichung.

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Nach erfolgter Zündung findet eine Entladung des Kondensators 42 über eine den Widerstand 43 überbrückende Diode 49» den Widerstand sowie den durchlässig gesteuerten Gleichrichter 12 statt. Die Widerstandswerte der Widerstände 43 und 23 unterscheiden sich etwa um eine Größenordnung, so daß der Entladungsvorgang des Kondensators wesentlich weniger Zeit beansprucht als seine Ladung. Auf diese Weis'e ist sichergestellt, daß sich der Kondensator 42 jeweils vor Beginn einer in Durchlaßrichtung des steuerbaren Ventils gepolten üpeisespannungshalbwelle in einem praktisch vollkommen entladenen Zustand befindet.. In der Zündstufe 41 ist weiterhin eine Schwellwertdiode 50 vorgesehen, welche verhindert, daß der durchlässig gesteuerte Transistor 48 unbeabsichtigterweise eine Zündung des Ventils- 12 bewirken könnte. Zum Schütze der Basis-Emitterstrecke des Transistors 44 gegen unzulässig hohe Sperrspannungen kann es zweckmäßig sein, eine Zenerdiode 51 dem Ausgang des Spannungsreglers parallel zu schalten.

Sollte in dem von· d"em ZusatzVegler beeinflußten steuerbaren Nebenschlußweg ein höherer Strom erforderlich sein, als er von einem steuerbaren Gleichrichter allein beherrscht werden könnte, so zeigt Figur 2 eiri Beispiel dafür, tie die zu steuernde Leistung vergrößert werden kann. Hierzu JLs t dem steuerbaren Gleichrichter 12 ein weiteres stärker, belastbares Ventil 12' nachgeordnet, für welches der

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steuerbare Gleichrichter 12 den Zündstrom liefern kann. Es sind zu diesem Zweck die Schaltbrücken 51 und 52 in die gestrichelt gezeichnete Stellung zu bringen, sowie die gestrichelt eingezeichneten Verbindungen beäm Widerstand 53 sowie an der Kathode des Ventils 12' vorzunehmen. Die Ausregelung der Regelabweichung erfolgt analog der bishtr beechrieb^pffj Wei«e η*ρ)*γ '' ■ ά η ο q / τ / η l o 7

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erfolgter Zündung des steuerbaren Gleichrichters 12 fließt dessen Anodenstrom als Zündstrom über die Steuerstrecke des steuerbaren Gleichrichters 12'.

Bei Konstantspa'nnungsgeneratoren ist dem Kurzschlußfall besonoere Beachtung zu schenken. In diesem Fall soll die Erregung mög-uichst schnell verringert werden. Von Hause aus würde der Konstantspannungsgenerator jedoch gerade das Gegenteil tun, da mit steigendem Kurzschlußstrom die Ausgangsspannung des Erregergleichrichters una damit auch der Erregers.trora ansteigt. Da infolge des Kurzschusses gleichzeitig auch die Spannung zusammenbricht, kann der Zusatzregler diesem unerwünschten Anstieg des Erregerstromes nicht begegnen. Für diesen Fall kann gemäß einem weiteren Merkmai der Erfindung in der Weise Vorsorge getroffen werden, daß der Anoden-Emitter-Strecke des steuerbaren Gleichrichters 12 ein auf Überspannung ansprechendes Glied, vorzugsweise eine Funkenstrecke 54, parallelgeschaltet ist, welche bei unzulässig hohem Ansteigen der Erregerspannung infolge eines Kurzschlusses der Generatorspannung durchschlägt und eine Zündung des steuerbaren Gleichrichters 12 bewirkt. Auf diese Weise kann einer unerwünschten'Erhöhung des Erregerstromes auch ijn Kurzschlußfall wirksam begegnet werden.

Für die Fälle, in welchen die Leistung eines einzelnen Ventils zur Steuerung des Erregerstromes mit einer Phase nicht ausreichen würde, gestattet die Erfindung eine zwanglose Erweiterung auf mehrphasige Anordnungen. In der Figur 1 bzw. 2 ist dies durch die mit II bezeichneten Schaltungsvarianten angedeutet. Man erkennt, daß es hierzu nur erforderlich ist, ein weiteres,· mit 37 bezeichnetes steuer-

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bareö Ventil über einen Anodenwiderstand 38 zwischen eine Sekundärklemme des Transformators 8 und den Minuspol dea Erregergleichrichters 7 zu schalten, wobei die Steuerung des Ventils 37 durch eine besondere Zündeinrichtung, welche ebenfalls vom Spannungsregler 14 beeinflußt wird, in analoger Weise wie die des Ventils 12 erfolgt. Eine von der Regelabweichung bestimmte Gleichspannung wird also der dem Ventil 37 zugeordneten, nicht weiter dargestellten Zündeinrichtung entsprechend der Figur 1 von der Klemme 21 über die Diode 28' und den Widerstand 27' zugeführt. An der Kathode der Zenerdiode 26 kann dann der Emitter des in der dem Ventil 37 zugeordneten Zündein- g| richtung vorhandenen Transistors 25* angeschlossen werden. Wird von der Schaltungsvariante gemäß der Anordnung nach Figur 2.Gebrauch gemacht, so ist diese in analoger Weise von den Ausgangsklemmen 45 47 des Spannungsreglers 40 zu speisen.

12 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

fly. Anordnung zur Peinregelung von Synchrongeneratoren mit Selbsterregung über ungesteuerte Gleichrichter und Überlagerung von Grund- und Lastanteil des Erregerstromes, dadurch gekennzeichnet, daß der Erregergleichrichter in Brückenschaltung ausgebildet ist und ein mit der Abweichung der Generatorspannung von einem Sollwert beaufschlagter Spannungsregler einen steuerbaren Gleichrichter (12) ,beeinflußt, dessen Anode über eineij Widerstand (13) an eine Sekundärphase des Gleichrichtertransformators und dessen Kathode direkt an den Minuspol des Erregergleichrichters angeschlossen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbarer Gleichrichter ein Siliziumstromtor verwendet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, däß der P steuerbare Gleichrichter an einer nur ihm zugeordneten besonde-

ren Anzapfung der Transformatorsekundärwicklung angeschlossen ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spannungeregier und dem gesteuerten Gleichrichter eine Zündeinrichtung angeordnet ist, welche eine Doppelbasisdiode enthält, die den Entladestrom eines Kondensators als Zündetrom für den steuerbaren Gleichrichter durchschaltet und deren Versorgungaspannung in der Durchbruchsspannung einer Zenerdiode besteht,

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Unterlagen (Art.7 §. t Abe. 2 Nr. I Satz 3 des Xnderungsges. v. 4.9.1967)

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die in Reihe mit einem Widerstand dem steuerbaren Gleichrichter antiparallel geschaltet ist.
5. Anordnung nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Durchschaltspannung für die Doppelbasisdiode am Kollektorwiderstand eines Transistors abgenommen ist, dessen Emitter auf ein konstantes Potential fixiert und dessen Basis über einen Widerstand mit der Ausgangsspannung des Spannungsreglers verbunden ist sowie mit einem RC-Glied, das andererseits mit dem positiven Pol der Versorgungsspannung verbunden ist, so daß der Steuerstrom des Transistors vom Ladestrom des" RQ-Gliedes abhängt.
6. Anordnung nach Anspruch 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator von einer Hilfsspannung aufgeladen wird, welche in der durch die Zenerdiode begrenzten Ausgangsspannung einer mit der Wechselspannung der Frequenz der Arbeitsspannung des Steuerbaren Gleichrichters gespeisten Doppelweg-Gleichrichterschaltung besteht.
7.,Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Spannungsregler (40), dessen Ausgangsspannung der Kondensatorlade-

spannung eines HC-»Gliedes (42, 431 im Steuerkreis eines Transistors ('44) entgegengeschaltet ist, welcher gegebenenfalls- über einen weiteren Tranaistor den Zündstrom für den steuerbaren Gleichrichter (12) durchschaltet.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichne-t, daß die Speisespannung des IC-Gliedes in der Dürchbruchsspannung einer 2ener-

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diode (22) besteht, die in Reihe mit einem Widerstand (23) den steuerbaren Gleichrichter (12) antiparallel geschaltet ist.
9. Anordnung nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenstrom des _%steuerbaren Gleichrichters (12) den Zündstromeines zweiten steuerbaren Gleichrichters (12·) bildet..
10. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Anoden-Gitterstrecke des steuerbaren Gleichrichters je in auf Überspannung ansprechendes Glied, vorzugsweise eine Funkenstrecke, geschaltet iet.
11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch die Verwendung mehrerer steuerbarer Gleichrichter, mit ihnen zugeordneten Zündeinrichtungen", wobei die steuerbaren Gleichrichterkondensatoren anodenseitig an dieselbe Transformatorphase angeschlossen sind.
12. Anordnung nach Anspruch 1 bis -10, gekennzeichnet durch die Verwendung mehrerer steuerbarer Gleichrichter mit ihnen zugeordneten Zündei/trichtungen, wobei die steuerbaren Gleichrichter anodenseitig an verschiedene Transformatorphasen angeschlossen sind.

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