DE1538252A1

DE1538252A1 - Stromkreis mit steuerbaren Gleichrichtern

Info

Publication number: DE1538252A1
Application number: DE19651538252
Authority: DE
Inventors: King Kenneth Gordon
Original assignee: Westinghouse Brake and Signal Co Ltd
Current assignee: Siemens Mobility Ltd
Priority date: 1964-09-28
Filing date: 1965-09-24
Publication date: 1970-01-08
Also published as: GB1062736A; US3431436A; SE333183B

Description

DR. E. wiegand , '2000 Hamburg ι, 23. September 1965

MDNCHEN BALUNDAMM 26

DIPL.-ING. W. NIEMANN TELEFON: 330475

HAMBURG 1

PATENTANWXlTf

W. 21886/65 8A

Dr. Expl.

Westinghouse Brake and Signal Company Limited, London (England)

Stromkreis mit steuerbaren Gleichrichtern.

Die Erfindung bezieht sich auf Stromkreise mit steuerbaren Gleichrichtern und insbesondere auf die Mittel, durch die ein in leitendem Zustand befindlicher steuerbarer Gleichrichter nicht-leitend gemacht wirdο

Es ist bereits bei Stromkreisen, die steuerbare Halbleitergleichrichter enthalten, bekannt, einen steuerbaren Gleichrichter dadurch nicht-leitend zu machen, daß ihm ein geladener Kondensator parallelgeschaltet wird, so daß der von dem steuerbaren Gleichrichter einer Last zugeführte Strom dann hauptsächlich dem Kondensator während einer Zeit entnommen wird, die ausreicht, damit der steuerbare Gleichrichter seinen nicht-leitenden Zustand erreicht. Es sind verschiedene Mittel zur Wiederherstellung der Laaung auf dem Kondensator vorgeschlagen worden, jedoch hat dies für die vorliegende Erfindung keine Bedeutung. Es sei aber bemerkt, daß die Größe des verwendeten Kondensators unter der Annahme einer optimalen Lade-

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spannung von der Abschaltzeit des steuerbaren Gleichrichters abhängig istο

Gemäß der Erfindung ist ein steuerbare Gleichrichter enthaltender Stromkreis geschaffen, der einen Kommutierungskondensator enthält, dem eine Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die den Kondensator in einen Weg parallel zu einem Stromweg über eine in dem Stromkreis befindliehe steuerbare Gleichrichtervorrichtung mit einer solchen Ladungspolarität schaltet, diß ein Abschalten des Stroms von der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung bewirkt wird, um letztere zu veranlassen, aus dem leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand überzugehen, wobei mit der steuerbaren Gleichriehtervorrichtung eine Blockiervorrichtung in Reihe geschaltet ist, die das Anlegen einer auf dem Kondensator auftretenden nachfolgenden umgekehrten Spannungsschwingung von der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung zurückhalte

Es sei bemerkt, daß auf Grund dieser Blockierungsvorrichtung die Abschaltzeit der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung bei einer gegebenen Größe des Kommutierungskondensators im idealen EaIl das Doppelte derjenigen betragen kann, die beim Fehlen der Blockierungsvorrichtung zulässig istο Demzufolge kann die Größe des Kondensators für eine gegebene Abschaltzeit der Gleichrichtervorrichtung im idealen lall halbiert werden_e " Es kann sich jedoch in der Praxis herausstellen,

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daß auf Grund von Stromkreisunvollkommenheiten und Nebeneffekten die von einem gegebenen Kondensator bestimmte Absehaltzeit, wenn sie auch wesentlich erhöht ist, tatsächlich nicht verdoppelt ist. So kann es sein, daß, obwohl die Stromkreisabschaltzeit nahezu verdoppelt sein kann, dies in der Praxis nicht zu einer Verbesserung um einen Faktor zwei führt, da die Abschaltzeit für irgendeinen gegebenen steuerbaren Gleichrichter nicht konstant bleiben kann«

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert·

Fig.1(a) zeigt in schematiseher Weise einen Stromkreis bekannter Ausbildung. Fig. 1(b) gibt eine beim Arbeiten des bekannten

Stromkreises gemäß Pig. 1(a) zu betrachtende Wellenform wieder.

Fig. 2(a) zeigt in schematischer Weise einen Strom-

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kreis gemäß der Erfindung·

Fig. 2(b) gibt eine beim Arbeiten des Stromkreises

gemäß Fig. 2(a) zu betrachtende Wellenform wieder·

Fig. 3 stellt eine Abwandlung des Stromkreises gemäß Fig. 2(a) dar.

Fig. 4 gibt eine Zerhackerstromkreisanordnung wieder, bei welcher die Erfindung angewendet ist.

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Bei dem in Fig· 1(a) wiedergegebenen bekannten Kommutierungsstromkreis für eine steuerbare Sleichrichtervorrichtung SCE, welche die Stromzufuhr, zu einer mit ihr in Reihe liegenden Last I steuert, ist die steuerbare Gleichrichtervorrichtung von derjenigen Art, die leitend gemacht wird, wenn an ihre Steuerelektrode ein Trigger- bzw. Auslösesignal angelegt wird, und nichtleitend gemacht wird, wenn der in ihr fließende Strom

^v sich umzukehren sucht. Um zu bewirken, daß die Gleichrichtervorrichtung SCR, wenn sich der in ihr fließende Strom umzukehren sucht, nicht-leitend gemacht wird, ist ein Kondensator C vorgesehen, von dem angenommen ist, daß er anfänglich auf eine Spannung von -V Volt aufgeladen ist, und dieser Kondensator ist mittels eines Schalters S parallel zu der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung schaltbar.

Die Spannung, die beim Schließen des Schalters S an der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung SOR liegt, ist durch die in Pig» 1(b) dargestellte Wellenform veranschaulicht. Der Schalter S wird an dem Zeitpunkt t., geschlossen, und die Periode von t- bis t₂ ist die Erholungszeit in der Sperrichtung, während welcher der Kondensator 0 eine Ladung verliert, die dem Laststrom i ungefähr proportional ist. An dem Zeitpunkt tp blockiert die steuerbare Gleichrichtervorrichtung in der Sperriehtung, und der Kondensator C entlädt sich mit einer Ge-

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schwiridigkeit, die von .dem Laststrom während der Erholungszeit von t₂ "bis t-zjLn der Durchlaßrichtung abhängig

Wenn die auf dem Kondensator Ci gespeicherte Ladung t_ Mikrocoulomb/iünpere und die Erholungszeif'in der Durchlaßrichtung t_f_ Mikrosekunden beträgt, dann ergibt sich

OV » i t_B + ; i dt (1)

oder, falls i im wesentlichen konstant ist,

GV « i (t_a + t_fr)
^oder

Bei der in Pig· 2(a) wiedergegebenen Stromkreisanordnung gemäß der Erfindung ist zwischen den Verbindungsstellen, über welche beim Schließen des Schalters S der Kondensator Ö geschaltet wird, eine mit der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung SCR in Reihe liegende Blockierungsvorrichtung angeordnet, die aus einer kleinen sättigbaren Drossel SR besteht<> In der nachfolgenden Beschreibung wird angenommen, daß die Drossel SR vollkommen sättigbar ist und einen Magnetisierurigsstrom im wesentlichen vom Wert iff Uli hat. Beim Arbeiten dieser Stromkreisanordnung wird, wenn durch die steuerbare Gleichrichtervorrichtung SCR ein Laststrom i hindurchfließt, die

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sättigbare Drossel SR in der Durchlaßrichtung gesättigt, wobei angenommen ist, daß der Kondensator C wie vorher auf eine Spannung von -V Volt aufgeladen ist.

Wenn der Schalter S geschlossen wird, um eine Abschaltung der steuerbaren Gleichrichteryorrichtung SCR einzuleiten, wird die Spannung des Kondensators C an die sättigbare Drossel SR angelegt und der Fluß in ihrem Kern in umgekehrter Richtung mit einer von der Spannung abhängigen Geschwindigkeit geändert, und der Kondensator C entlädt sich mit einer Geschwindigkeit, die von dem Wert des Laststroms i abhängt»

Es sei hier bemerkt, daß angenommen ist, daß die steuerbare Gleichriehtervorrichtung SCR einen gewissen Leckstrom hat. Wenn weiterhin angenommen wird, daß der Laststrom i im wesentlichen konstant ist, dann erreicht der Kondensator G seinen im wesentlichen entladenen Zu—

GV stand zu einem Zeitpunkt *£ nach einem Zeitintervall rj-j; während dem die Gleichriehtervorrichtung SCR ihren nichtleitenden Zustand erreicht haben muß. Die Spannungen, die nach Schließen des Schalters an der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung SGR und dem KommutierungskondensatOr G liegen, sind in Pig» 2(b) wiedergegeben.

An dem Zeitpunkt t2 erreicht der Fluß in der sättigbaren Drossel SR seine maximale Ablenkung in der Sperrichtung, und dies entspricht einem von dem Kondensator angelegten Spannungs-Zeit-Integral von t^ bis ^⁰

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mm *7 —.

Hinter dem Zeitpunkt %^ beginnt die- Spannung auf dem Kommutierungskondensator 0» einen positiven Wert anzunehmen» aber da die sättigbare Drossel SR ungesättigt ist» erscheint diese Spannung im idealen Fall an der sättigbaren Drossel und nicht an der steuerbaren Gleiohriohtervorrichtung. Dieser Sustand setzt sich mit steigender Ladung des Kondensators C fort, bis die Drossel SR wieder in der Durchlaßrichtung gesättigt wird, und dieser Zustand wird an dem Zeitpunkt t, nach einem weiteren Span-. nungs-Zeit-Integral erreicht, das gleich demjenigen zwischen t| und %2 ^isV» &b^er entgegengesetztes Vorzeichen hat, wenn angenommen wird, daß der Laststrom i konstant ist. Daher beträgt die gesamte Abschaltzeit, die bei der Stromkreisanordnung gemäß Fig· 2(a) für die steuerbare Gleichrichtervorrichtung zur Verfügung steht, im

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idealen Fall 2 τρ, d.h. das Zweifache derjenigen, die bei der Stromkreisanordnung gemäß Fig. 1(a) für die glei-

v chen Werte der Stromkreiskomponenten erhalten wird.

In der vorstehenden Erläuterung der Stromkreisanordnung gemäß-Fig. 2(a) sind gewisse Voraussetzungen gemacht worden, die vom praktischen Gesichtspunkt aus nicht gültig sein können. Erstens kann in der Praxia die sättigbare Drossel SR im ungesättigten Zustand einen nicht unbedeutenden Ifagnetisierungsstrom haben, so daß sie weder die gesamte Umkehrspannung des Kondensators während der Rückstellperiode von t^ bis t₂ absorbiert,

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noch die gesamte ansteigende positive Spannung des Kondensators während der Periode von ^ Ms t, von der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung absperrte Zweitens bewirkt an dem Zeitpunkt t~ die plötzliche Sättigung der sättigbaren Drossel, daß an die steuerbare Gleichrichtervorrichtung eine Spannung von sehr hoher Anstiegsgeschwindigkeit angelegt wird. Drittens ist die physikalische Abschaltzeit für die steuerbare Gleichrichtervorrichtung in der Stromkreisanordnung gemäß Figo 2(a) nicht notwendigerweise die gleiche wie diejenige der Stromkreisanordnung gemäß ffigo 1(a)<>

Den Wirkungen des negativen Magnetisierungsstroms, der in dem Intervall von t- bis tp vorhanden sein kann, kann leicht entgegengewirkt werden, indem der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung SCR eine kleine Diode MR in umgekehrtem Sinn parallelgeschaltet wird, wie dies in Fig« wiedergegeben ist. Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 ist ferner eine Quelle für eine kleine negative Vorspannung vorgesehen, die während der ganzen Abschaltperiode von t₁ bis t-2 an die steuerbare Gleichrichtervorrichtung angelegt wird. Dies kann erfolgen, um den Wirkungen des positiven Magnetisierungsstroms entgegenzuwirken, der in der Periode von t₂ bis t, auftritt« Die Vorspannungsquelle hat eine verhältnismäßig hohe Impedanz, und sie soll keine Sperrspannung an der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung erzeugen. Jedoch verhindert sie, daß die

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Anodenspannung der Gleichrichtervorrichtung zufolge dee in der Drossel SR fließenden Magnetisierungsstroms positiv wird,, Die Diode MR nimmt somit die Differenz zwischen dem Vorspannungsstrom und dem Magnetisierungsstrom der sättigbaren Drossel auf und hält an der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung SOR eine Spannung von ungefähr 1 Volt aufrechte

Wie aus der nachstehenden Beschreibung der Stromkreisanordnung gemäß Fig« 4 hervorgeht, kann den Einflüssen des positiven Magnetisierungsstroms in dem Intervall von tp bis t~ auch in anderer Weise entgegengewirkt werden, indem auf der sättigbaren Drossel eine besondere Vorspan— nungswieklung vorgesehen wird· Vom Fachmann können auch noch weitere Methoden ins Auge gefaßt werden. Beispielsweise kann der Magnetisierungsstrom von einem Widerstand vernichtet werden, welcher die an der steuerbaren Gleich— richtervorrichtung entwickelte Spannung auf einen niedrigen Wert begrenzt, obwohl diese Methode in der Praxis nicht sehr zweckdienlich sein kann, falls es notwendig ist, daß der Widerstand so* klein ist, daß er einen unzuläßig großen Strom durchläßt, wenn sich die steuerbare Gleichrichtervorrichtung im nicht-leitenden Zustand befindet. Gemäß einer weiteren Methode kann der steuerbaren Gleichrichter-Vorrichtung ein einen konstanten Strom führender Kreis parallelgeschaltet werden, der aber vom praktischen Gesichtspunkt aus ebenfalls nicht sehr zweckdienlich sein

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' kann, da die merkliche Durchlaßspannung, die an der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung zurückbleibt, einen Nachteil darstellt»

Bei dem in Figo 4 wiedergegebenen praktischen Gleichstromzerhackerstromkreis ist die Last L zwischen die Gleichstromspeiseleitungen über eine kleine Vorspannungswicklung W1 und eine Hauptwicklung W2 der Blockiervorrich-

. tung, die wieder eine sättigbare Drossel SR ist, und eine steuerbare Gleichrichtervorrichtung S0R1 geschaltet. Zwischen die Verbindungsstelle der Wicklungen W1 , W2 und die positive Gleichstromspeiseleitung ist eine Diode MR1 geschaltet und entgegengesetzt zu der Flußrichtung des normalen laststroms gepolte Der.steuerbaren Gleichrichter— vorrichtung SCR1 ist eine weitere Diode MR2 in umgekehrt tem Sinn parallelgeschaltet. Ein Kommutierungskondensator 02 kann mittels einer Schaltvorrichtung in Form einer weiteren steuerbaren Gleichrichtervorrichtung SGR2 der Reihenschaltung aus der Wicklung W2 der Drossel SR und der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung SCR1 parallelgeschaltet werden. Der Kommutierungskondensator 02 ist über einen Widerstand R3 aufladbar, der zwischen die Ver~ bindungsstelle des Kondensators 02 mit der Schaltgleichrrichtervorrichtung SCR2 und die positive' Speiseleitung geschaltet ist.

Die Steuerelektrode der steuerbaren Gleichrichter-· verbindung S0R1 ist mit einem aus einem Widerstand

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einem Kondensator 01 und einer Diode MR3 bestehenden Vorspannungskreis verbunden, der eine negative Vorspannung liefert» welche den Verlängerungswirkungen auf die Abschaltzeit des steuerbaren Gleichrichters S0R1 entgegenwirkt, die sich aus der begrenzten Anodensperrspannung ergibt, welche durch die parallelgesehaltete Diode MR2 verursacht werden kann.

Die Einschalt-Klemme PI des Stromkreises ist über einen von zwei Widerständen R1 und R2 gebildeten Spannungsteiler mit der Steuerelektrode der steuerbaren Gleichriohtervorrichtung SCR1 verbunden, und die Abschalt-Klemme P2 des Stromkreises ist über einen von zwei V/iderständen R5 und R6 gebildeten Spannungsteiler mit der Steuerelektrode der steuerbaren Schaltgleichrichtervorrichtung SCR2 verbunden.

Die Arbeitsweise der Stromkreisanordnung gemäß Figo 4 ist aus den oben gemachten Ausführungen leicht verständlich.

Der Kondensator G2 wird der Reihenschaltung aus der "Drossel SR und der steuerbaren Gleichrichtervorrich— tung SCRV parallelgeschaltet, wenn tei P2 ein Auslöseimpuls angelegt wird, um die steuerbare Schaltgleichrichtervorrichtung SCR2 leitend zu machen« Die Abschaltzeit, die für die steuerbare Gleichrichtervorrichtung SGR1 zur Verfügung steht» ist dann diejenige, welche der Lastkreis braucht, um Strom aus dem Kondensator C2 zu ziehen, so

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daß sich dessen Ladung umkehrt· Die Vorspannungswicklung W1, die mit der Hauptwicklung W2 der sättigbaren Drossel SR in Reihe geschaltet ist, ist derart ausgebildet, daß, wie bereits oben erwähnt, an der sättigbaren Drossel die erforderliche Vorspannung erzeugt wird, um die Wirkung des MagnetisierungsStroms in dem Zeitintervall von tp bis t~ zu überwinden, in welchem die Ladung des Kondensators 02 an dessen einem Belag positiv ansteigt, wie dies in " Fig· 2(a) wiedergegeben ist« Die Diode MR2 wirkt dem Magnetisierungsstrom entgegen, der sonst in dem voran·» gehenden Intervall vorhanden sein würde, welches auf daa Abschalten der steuerbaren Schaltgleichrichtervorrichtung SCR2 folgt, wenn die Ladung des Kondensators 02 gegen den Wert Null sinkt.

Obwohl dies in Fig. 4 nicht gezeigt ist, kann gewünschtenfalles der Diode MR2 eine Durchlaßvorspannungsquelle, wie diejenige gemäß Fig. 3, parallelgeschaltet werden·

Bei der Stromkreisanordnung gemäß Fig., 4 kann bei auereichend hohen Arbeitsspannungen die Möglichkeit bestehen, daß die Fähigkeit der steuerbaren Grleichrichtervorrichtung, hohen Anstiegsgeschwindigkeiten der angelegten Spannung zu widerstehen, überschritten wird. Obwohl die vorgesehene negative Vorspannung an der Steuerelektrode diese Fähigkeit verbessert, kann es erwünscht sein, eine zweckentsprechende Unterdrückungsvorrichtung zu verwenden»

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Die Erfindung wurde vorstehend in Bezug auf einen Zerhackerstromkreis beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf einen solchen Stromkreis beschränkt, und sie kann auch bei anderen Arten von steuerbare Gleichrichter enthaltenden Stromkreisen, insbesondere Umformern, angewendet werdene Bei gewissen Umformerstromkreisen sind bereits für andere Zwecke den steuerbaren Gleichrichtervorrichtungen Dioden in umgekehrtem Sinn parallelgeschaltet<. Bei einem solchen Stromkreis wird die Vergrößerung der Abschaltzeit irgendeiner gegebenen Gleichrichtervorrichtung durch eine bereits vorhandene Paralleldiode verursacht, so daß eine gemäß der Erfindung vorgesehene Vorrichtung in Form einer sättigbaren Drossel, die in der beschriebenen Weise arbeitet, um die umgekehrte Spannungsschwingung des Kommutierungskondensators von der steuerbaren Gleichrichtervorriohtung zurückzuhalten, eine beträchtliche Verbesserung insofern ermöglicht, als die Kapazitanzwerte des Kommutierungskondensätors herabgesetzt werden können.

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Claims

Patentansprüche

1.j Stromkreis mit steuerbaren Gleichrichtern, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Kommutierungskondensator enthält, dem eine Schaltvorrichtung zugeordnet ist, die den Kondensator in einen Weg parallel zu einem Stromweg über eine in dem Stromkreis befindliche steuerbare Gleichrichtervorrichtung mit einer solchen Ladungspolarität schaltet, daß ein Abschalten des Stroms von der steuerbaren (xleichrichtervorrichtung bewirkt wird, um letztere zu veranlassen, aus dem leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand überzugehen, und daß mit der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung eine Blockiervorrichtung in Reihe geschaltet ist, die das Anlegen einer auf dem Kondensator auftretenden nachfolgenden umgekehrten Spannungsschwingung von der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung zurückhält»

2, Stromkreis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blockiervorrichtung aus einer sättigbaren Drossel besteht.

3· Stromkreis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die dem Magnetisierungsstrom in der sättigbaren Drossel entgegenwirkt«

4. Stromkreis nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung, die dem Magnetisierungsstrom in der sättigbaren Drossel entgegenwirkt, aus einer

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auf der Drossel angeordneten Wicklung besteht, die mit der Hauptwicklung der Drossel in ßeihe liegt, aber in Bezug auf den uurch die Drossel hindurchgehenden Stromfluß zu der last entgegengesetzt gepolt ist»

5« Stromkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Vorrichtung vorgesehen ist, die der Wirkung des Leckstromflußes in der steuerbaren Gleichrichtervorrichtung auf die sättigbare Drossel entgegenwirkte

6o Stromkreis nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, diß die weitere Vorrichtung aus einer Diode besteht, die in einen Weg parallel zu der steuerbaren Gleich— richtervorrichtung geschaltet, aber mit Bezug auf diese umgekehrt gepolt ist.

7 ο Stromkreis nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Diode eine Durchlaßvorspannungsquelle hoher Impedanz parallelgeschaltet ist.

8e Stromkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind> die an die-Steuerelektrode der steuerbaren Gleichriohtervorrichtung eine feste Vorspannung von solcher Polarität anlegen, welche die Abschaltzeit der Gleichriöhtervorrichtung herabzusetzen sucht.

9ο Stromkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des Kommutierungskondensators über einen Widerstand mit der

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einen Klemme einer Gleichstromquelle für den Stromkreis und die andere Seite des Kondensators über die steuerbare Gleichrichtervorrichtung mit der anderen Klemme der Gleichstromquelle verbunden ist, um das Wiederaufladen des Kondensators während der leitenden Periode der Gleichriohtervorriohtung zu ermöglichen©

1Oo Stromkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet» daß die Schaltvorrichtung aus einer weiteren steuerbaren Gleichrichtervorriehtung besteht«

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