DE1808489A1

DE1808489A1 - Statischer Leistungsumformer mit variabler Kommutierungsreaktanz

Info

Publication number: DE1808489A1
Application number: DE19681808489
Authority: DE
Inventors: Demarest Donald Monroe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-11-14
Filing date: 1968-11-13
Publication date: 1969-06-26
Also published as: JPS4928526B1; FR1591841A; SE346185B; GB1243525A; US3487287A

Description

Dr. rer. nat. Horsf Schüler PATENTANWALT

ί f. NOK

6 Frankfurt/Main 1, den Niddastraße 52 Telefon (0611) 237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M.

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961-11D-2897

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady» N.Y., U.S.A.

Statischer Leistungsumformer mit variabler Kommutierungsreaktanz

Diese Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf Verbesserungen in einem statischen Leistungsumformer für hohe Spannung. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen in derartigen statischen Hochspannungsumformern, die wechselweise entweder als Gleichrichter (Umformung von Wechselstrom in Gleichstrom) oder als Wechselrichter (Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom) arbeiten können.

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Bei dem gegenwärtigen Stand der Technik der Umwandlung elektrischer Energie bei Hochspannung werden die Schaltungen üblicherweise durch elektrische Ventile vorgenommen, die gittergesteuerte Quecksilberlxchtbogenröhren für Hochspannung und hohe Ströme enthalten. Üblicherweise können sechs derartige Ventile in einer dreiphasigen Zweiweg-Brückenschaltung mit drei getrennten Wechselstromanschlüssen und einem Paar positiver und negativer Gleichstromanschlüsse angeordnet sein. Bei einer' aufeinanderfolgenden Zündung der sechs Ventile in richtiger Reihenfolge und in Synchronismus mit den Spannungen des dreiphasigen Leistungsnetzes, mit dem die Wechselstromanschlüsse der Brücke verbunden sind, kann der Leistungsfluß zwischen den Wechselstrom- und Gleichstromanschlüssen nach Wunsch geregelt werden.

Die Zeit zu der ein Ventil gezündet wird, das in elektrischen Graden von dem zyklisch wiederkehrenden Moment gemessen wird, in dem seine Anodenspannung bezüglich der Kathode zuerst positiv wird, ist unter der Bezeichnung "Zündwinkel" bekannt. Wenn der Zündwinkel von null an vergrößert wird, verringert sich die durchschnittliche Größe der gleichgerichteten Spannung zwischen den positiven und negativen Gleichstromanschlüssen von ihrem maximalen positiven Wert. Wenn der Zündwinkel annähernd 90 wird, kehrt die durchschnittliche Gleichspannung ihre Polarität um, und die Brücke beginnt als Wechselrichter zu arbeiten, wobei die Leistung von den Gleichstromzu den Wechselstromanschlüssen übertragen wird.

In der vorgenannten Anordnung wird der Durchlaßstrom in einem Ventil am Ende seines leitenden Intervalls jeder Schwingung durch Kommutierung der Leitungsspannung gestoppt, "Kommutierung" ist der Name eines definierten Übergang5des Laststromes von einem Ventil (des entlasteten oder "Ausgangs"-Ventils) auf das nächste leitende Ventil (das entlastende oder "Eingangs"-Ventil). Während der Komniutierungsperiode, die auch als Überlappungszeit bekannt ist, steigt der Strom in dem Eingangsventil von null auf Vollast an und der Strom in dem Ausgangsventil fällt von Vollast auf null und während beide Ventile somit leitend sind, sind zwei Phasen des Wechselstromsystems kurzgeschlossen. Der Strom in diesem kurz-

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geschlossenen Kreis ist durch eine Kommutierungsreaktanz X begrenzt, die die Innenimpedanz (Wechselstromsystem) und die Streureaktanz eines Transformators umfaßt, der in einem typischen Umformer zwischen der Gleichstromverbindung und dem Wechselstromsystem vorgesehen ist.

Mit dieser Kommutierungsreaktanz rechnet man auch zur Begrenzung eines Fehlerstromes auf der Wechselstromseite im Falle von Kurzschlüssen, die durch Störungen der Ventile oder der Brücke verursacht werden. In Umformern, die Quecksilberlichtbogenventile verwenden, sind Rückzündungen (Bogenrückschläge) zu erwarten, und sie treten voraussichtlich zu einer Zeit in der Spannungsschwingung auf, in der daraus ein Spitzenfehlerstrom resultiert, der den maximalen Strom während der normalen Kommutierung weit übersteigt und z.B. den zehnfachen Wert annimmt. Deshalb ist in bekannten Hochspannungsieistungsumformern der Wert der Kommutierungsreaktanz tatsächlich durch die Notwendigkeit bestimmt gewesen, die Umformerelemente gegen diesan schädlichsten möglichen Kurzschluß oder Fehlerstrom zu schützen. Da die Iniienimr^danz relativ festgelegt ist, wird der gewünschte Wert der Kommutierungsreaktanz gewöhnlich dadurch erhalten, daß der Transformator für eine bestimmte Streureaktanz ausgelegt wird.

Wenn die Umformerventile gesteuerte Feststoff-Siliciumgleichrichter (SCR) anstelle von Queeksxlberlxchtbogenventilen aufweisen, sind die Fehlerströme des Wechselrichters von Natur aus durch die SCR¹S begrenzt, die in der umgekehrten Richtung nicht leiten. Dies bedeutet, daß die Umkehrimpedanz eines SCR-Umformerelementes immer hoch ist, wogegen die Umkehrimpedanz eines Quecksilberlichtbogenventils im Falle einer Rückzündung relativ gering ist. Aus diesem Grunde kann die Kommutierungsreaktanz für einen Festkörperwechselrichter viel kleiner sein als sie für einen Festkörpergleichen
richter oder für ein/'Quecksilberlichtbogengleichrichter oder Wechselrichter erforderlich ist.

Infolge der Kommutierungsreaktanz ist immer eine begrenzte Überlappungszeit beim Betrieb eines Wechselrichters vorhanden. Diese

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Überlappungszeit plus ein erforderlicher Randwinkel (siehe unten) sorgen für eine praktische Begrenzung des Zündwinkels des Wechselrichters, Dies hat eine zugehörige Phasenverschiebung (nicht-einheitlicher Leistungsfaktor) zwischen dem Strom und der Spannung zur Folge, wobei der Wechselrichter mit irgendeiner Blindleistung (var) gespeist werden muß. So ist der Verbrauch einer bestimmten minimalen Blindleistung mit Umformervorrichtungen verbunden, und je länger die Überlappungszeit, desto höher ist die Blindleistung. Da sich der Wert der Kommutierungsreaktanz X direkt auf die Überlappungszeit des Wechselrichters auswirkt, folgt daraus, daß eine Verminderung der Kommutierungsreaktanz den Blxndleistungsverbrauch vorteilhaft vermindert. Selbst wenn der Wert der Leietungsfaktorkorrektur nicht verringert würde, ist eine kleinere Kommutierungsreaktanz wünschenswert, da es dadurch für den Wechselrichter möglich ist, einen höheren Überstrom I sicher zu kommutieren. Der Wechselrichter wird nur so lange für eine gute Kommutierung,sorgen, wie der IX-Abfall einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, und je kleiner die Kommutierungsreaktanz ist, desto größer ist deshalb der zulässige Überstrom,, Die Stabilität des Wechselrichters wird durch Erhöhen des zulässigen Überstromes verbessert ₉ und er-kann unter ungünstigeren Spannungsstörungen in dem Wechselstromsystem weiterhin wirksam sein.

Demgemäß ist es ein Merkmal dieser Erfindung» einen Festkörperumformer für elektrische Leistung möglichst gut auszulegen, um einen Vorteil aus einem zugehörigen geringeren Wert der Kommutierungsreaktanz zu ziehen, die für einen Betrieb des Umformers als Wechselrichter erforderlich ist.

Es ist eine noch wichtigere Aufgabe dieser Erfindung, einen statischen SCR-Leistungsumformer zu schaffen, in dem Impedanzen für die Kommutierungsreaktanz vorgesehen sind, die in den Umformerkreis eingeschaltet oder herausgenommen werden können, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Umformer als Gleichrichter bzw. als Wechselrichter arbeitet.

Kurz gesagt, beinhaltet eine Ausführungsform dieser Erfindung einen

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verbesserten statischen Leistungsumformex¹, der geeignet ist, entweder als Gleichrichter oder als Wechselrichter zu arbeiten, indem ein kleinerer Wert für die Kommutierungsreaktanz verwendet wird, wenn der Umformer als Wechselrichter arbeitet. Da sich der Wert der Kommutierungsreaktanz im wesentlichen aus dem Innenwiderstand der Wechselstromquelle und der Streureaktanz eines Transformators zusammensetzt, der zwischen den Umformerventilen und der Wechselstromquelle vorgesehen ist, wird die für einen richtigen Wechselrichterbetrieb notwendige minimale Kommutierungsreaktanz erhalten, indem der Transformator mit einer derartigen Streureaktanz versehen wird, daß die Summe des Innenwiderstandes der Wechselstromquelle und der Streureaktanz des Transformators gerade gleich der minimalen Kommutierungsreaktanz ist, die für einen richtigen Wechselrichterbetrieb erforderlich ist. Für einen Betrieb des Umformers als Gleichrichter sind Impedanzen vorgesehen, die in dem \jmformerkreis eingeschaltet werden können, um die Kommutierungsreaktanz auf einen genügenden Wert zu erhöhen, damit die "Fehlerströme oder Störungen begrenzt sind, die in dem Kreis auftreten könnten und die nicht durch die Umformerventile gesperrt sind.

Die Erfindung wird nun mit ihren weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild für einen bekannten statischen Leistungsumformer mit einer festen Kommutierungsreaktanz.

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild und zeigt einen verbesserten statischen Leistungsumformer gemäß dieser Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Wechselstromsystem 1 über einen Umformer 2 mit Gleichstromleitungen 3 verbunden. In einem typischen Umformersystem werden die Leistungsbefehle bezüglich Richtung und Höhe der zu übertragenden oder auszutauschenden Leistung einem Hauptregler t für das System zugeführt. Der Hauptregler steht mit

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einem Brückenregler 5 für jeden Umformer in dem System in Verbindung. Der Hauptregler H gibt dem Brückenfregler 5 an, ob ein Betrieb als Wechselrichter oder als Gleichrichter folgen soll und wie groß der Überlappungsphasenwinkel zu sein hat. Der Brückenregler 5 prüft mittels des Transformators 6 die augenblickliche Leitungsspannung der drei Wechselstromphasen und legt wiederholend einen Zug von sechs Steuersignalen an die Ventile 7, 8, 9, 10, und 12, und zwar zur richtigen Zeit in Beziehung zur augenblicklichen Phasenspannung für jede Phase.

φ In Fig. 1 ist der Innenwiderstand des Wechselstromsystems (Xg) schematisch durch die Impedanzen 13,. It und 15 dargestellt. Die Streureaktanz des Transformators 52 (X^) ist schematisch durch die Impedanzen 16, 17 und 18 wiedergegeben. Der Wert der Kommutierungsreaktanz ist etwa gleich 2(Xg+X,)_# Dieser Wert der Kommutierungsreaktanz ist so ausgewählt, um die Umformerventile gegen einen zu hohen Fehlerstrom unter unnormalen Bedingungen zu schützen, wie sie z.B. beim Kurzschluß in den Ventilen oder über der Brücke auftreten können. Bei einem bekannten System, wie es in Fig. 1 gezeigt ist_s ist dieser Wert der Kommutierungsreaktanz immer gleich, ob der Umformer nun als Gleichrichter oder als Wechselrichter arbeitet.

™ Fig. 2 zeigt einen verbesserten Umformer für elektrische Leistung, in dem diese Erfindung verwendbar ist. Ein Wechselstromsystem 19 ist über einen Umformer 20 mit den positiven und negativen Gleichstromleitungen 21 verbunden. Leistungsbefehle bezüglich der Richtung und der Höhe der Leistung werden in einen Hauptregler 22 gegeben, der der Hauptregler für das ganze Umformersystem ist.

Zu jedem Umformer in dem System gehört ein Brückenregler 23, dessen Funktion in der Erzeugung von Steuerimpulsen für die Umformerventile 25, 26, 27, 28, 29, 30 besteht« Der Hauptregler 22 versorgt den Brückenregler 23 mit Informationen, ob Gleichrichteroder Wechselrichterbetrieb bestehen soll, und wie groß der Zündwinkel sein muß, um die gewünschte Ausgangsgröße zu erzeugen, wobei die voraussagbare Überlappung oder der Kommutierungswinkel

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berücksichtigt wird. Der Brückenregler 2 3 prüft über einen Transformator 24 die augenblicklichen Phasenspannungen der Wechselstromphasen und führt den Ventilen 25, 26., 27, 28, 29 und 30 in ihrer zahlenmäßigen Reihenfolge Steuerimpulse zu. Dies geschieht sowohl für Wechselrichter- als auch für Gleichrichterbetrieb und zu der richtigen Zeit bezüglich der augenblicklichen Phasenspannungen der Wechselstromleitungen, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Jedes der in Fig. 2 symbolisch gezeigten Umformerventile enthält tatsächlich zahlreiche gesteuerte Siliziumgleichrichter (SCR), die geeignet angeordnet sind, damit sie im Gleichlauf wirksam schalten und leiten. _% ^

Bei der Kommutierung der Leitungsspannung ist die für die Kommutierung verfügbare Spannung diejenige Wechselspannung, die zwischen den entsprechenden Elektroden der vorher belasteten und gerade leitenden Umformerventile besteht. Die Kommutierung muß immer vor dem Nulldurchgang der Gegenspannung an dem entlasteten Ventil beendet sein. Der Zeitraum, der in cioa Moment beginnt, in dem der Durchlaßstrom in dem entlasteten Ventil auf null verkleinert wird, und dann endet, wenn dieses Ventil das nächste Mal eine Durchlaßspannung zwischen Anode und Kathode erhält, ist als Randwinkel (margin angle) bekannt. Die Kommutierung wird wahrscheinlich mißlingen, wenn der Randwinkel kleiner als ein Minimalwert wäre, der für das entlastete Ventil erforderlich ist, um seine Sperrfähig- Λ keit gegenüber der Durchlaßspannung zurückzugewinnen» Es ist immer möglich, daß die Form der Wechselstromkurve (Wechselstromphasenspannung) Unregelmäßigkeiten oder transiente Obergänge enthalten kann, die eine zeitliche Beendigung der Kommutierung zu verhindern neigen. Beispielsweise bewirkt eine Verringerung der Spannung in einer oder mehreren der Phasen der Wechselspannungsleitung, die oft von einem Stromanstieg begleitet ist, einen Anstieg der für die Beendigung der Kommutierung erforderlichen Zeit. Es ist einleuchtend, daß in einem derartigen Fall die Kommutierung eher als normal beginnen muß, um den vorausgesetzten minimalen Randwinkel einzuhalten.

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Um diese beschriebenen und möglicherweise auftretenden Unregelmäßigkeiten zu berücksichtigen, kann der Augenblick, in dem die Kommutierung eingeleitet wird, bezüglich des Augenblickswertes der Phasenspannungen in den Wechselstroinleitungen begrenzt sein. Zu diesem Zweck prüft der Brückenregler 23 über Transformatoren 24 die augenblicklichen Phasenspannungen der Wechselstromleitungen und führt den identischen Ventilen 25₉26₉ 27 ₉ 28, 29' und .30 in ihrer zahlenmäßigen Reihenfolge Steuerimpulse zu einer Zeit zu, die sicherstellt, daß die Kommutierung erfolgreich beendet wird. Obwohl es in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform des verbesserten Umformers nicht dargestellt ist_s können auch übliche Regel- oder Steuervorrichtungen vorgesehen sein, um die Steuerung der Steuerimpulse ebenso von anderen Faktoren abhängig zu machen, wie z.B. der Höhe des Laststromes, der Kommutierungsreaktanz und dem Wert der Gleichspannung _e

Kreise zur Speisung der Umformerventile mit Steuerimpulsen der richtigen Form und Folge sind in der Technik bekannt und werden deshalb hier nicht näher erläutert. Die Eingangsgrößen in den Brückenregler 23 umfassen die über Transformatoren 24 geprüften Phasenwechselspannungen und ein Signal von dem Hauptregler 22, das den gewünschten Umformerbetrieb angibt« Die 'Ausgangsgröße des Brückenreglers 23 ist eine Reihe von Steuerimpulsen, die den entsprechenden Ventilen 2 5 bis 30 zum richtigen Zeitpunkt zugeführt werden, um die gewünschte Umformerbetriebsart zu erhalten und um sicherzustellen, daß die Kommutierung zwischen den Umformerventilen rechtzeitig beendet ist_e

Die Reaktanz (X„) des Weehselstromsystems ist in Fig. 2 schematisch durch die Reaktanzen 13, 14₉ 15 gezeigt, die sich in jeder Phase der Wechselstromleitung befinden₉ und die Streu-reaktanzen (Xj^) des Transformators 34 sind schematisch durch die Reaktanzen 31, 32, 33 dargestellt. Jede Phase der Wechselstromleitung weist eine Impedanz X_R auf, die durch in die Leitungen eingesetzte Induktivitäten 45, 46 und 47 wiedergegeben ist. Zu jeder der Induktivitäten 45, 46 und 47 sind Schalter 35, 36 bzw. 37 parallel geschaltet. Wenn der Umformer als Gleichrichter arbeitet, sind

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diese Schalter geöffnet und der Wert der Kommutierungsreaktanz in dem Strom ist etwa gleich 2(X_g + X_R + X_L25·

Wenjn der Befehl des Hauptreglers für das System angibt, daß dieser Umformer als Wechselrichter arbeiten soll, bestätigt der Hauptregler 22 ein Reaktanzregelrelais 38, das wiederum ein Signal an die Schalttriggereinheit 39 abgibt. Die Schalttriggereinheit 39 spricht hierauf an, indem sie einer Schalteinheit HO den Befehl gibt, die Schalter 35, 36 und 37 zu schließen und dadurch die in Reihe liegenden Reaktanzen 45, 46 und 47 kurzzuschließen. Die Schalter 35, 36 und 37 schließen jedoch nicht, wenn nicht über Stromtransformatoren 41, 42 und 43 oder Spannungstransformatoren 24 synchronisierende Steuersignale empfangen werden. Diese Eingangsgrößen erlauben der Schalttriggereinheit 39, sowohl die Spannungs- als auch Stromnulldurchgänge für jede Phase der Wechselstromleitung zu überwachen. Die Schalter 35, 36 und 37 können entweder durch strom« oder durch spannungssynchr-onisie^te Signale bestätigt werden. Die Wahl hängt davon ab, ob Spannungs- oder Stromstörungen ein geringes Problem in einem speziellen Umformerkreis darstellen. Tarsächlich könnten die Schalter auch von einem Signal geschlossen und durch ein anderes geöffnet werden. Da ein Wechselrichterbetrieb es erforderlich macht, daß die Schalter geschlossen sind, und Spannungsstörungen in einem Wechselrichter gewöhnlich problematischer sind als Stromstörungen, können beispielsweise die Schalter 35 _s 36 und 37 in einem Punkt geschlossen v/erden, in dem der Strom in jeder der entsprechenden Phasen den Nullpunkt durchläuft. Wenn die Wirkungsweise des Umformers auf Gleichrichterbetrieb geändert wird, so müssen die Schalter 35, 36 und 37 offen und die Impedanzen 45, 46 und 47 eingeschaltet sein. Dies kann entweder durch ein von der Spannung abgeleitetes Signal oder ein vom Strom abgeleitetes Signal durchgeführt werden» und es muß nicht notwendigerweise das gleiche Signal oder die gleiche Stelle sein, an der die Schalter geschlossen wurden. Wenn die Schalter 35, 36 und 37 geschlossen sind, ist die Kommutierungsreaktanz für den Wechselrichter etwa gleich 2(Xg + X.^)·

Die Schalter 35, 36 und 37 können schnellschaltende regelbare

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Schalter sein. Es wird jedoch die Verwendung elektronisch getriggerter Vakuumschalter bevorzugt, wie z.B. die in dem US-Patent 3 319 121 offenbarten Schalter. Ein augenblicklicher Schnellschaltvorgang wird bei -diesen Schaltern durch eine Plasmainjektion über einen Triggerspalt erzielt. Hierauf folgt sogleich das mechanische Schließen eines Kontaktpaares. Wenn die mechanischen Kontakte vollständig geschlossen sind, wird die Plasmainjektion beendet.

Wenn der Leistungsbefehl an den Hauptregler 22 es erforderlich macht, daß der Umformer als Gleichrichter arbeitet₉ wird das Reaktanzregelrelais 38 wechselweise betätigt und ein neues Signal wird zu der Schalttriggereinheit 39 gesendete Die Schalttriggereinheit 39 überwacht den Strom in den Wechselstromphasen über Stromtransformatoren 41, 42 und 43 und prüft die Spannung in den Wechselstromphasen über Spannungstransformatoren 2H_a Sie gibt deshalb der Schalteinheit 40 synchron Befehle₈ die entsprechenden Schalter 3S₁ 36 und 37 entweder auf ein Strom- oder ein Spannungssignal zu öffnen;, wie es gerade erwünscht ist» Die Schalter 35, 36 und 37 werden mechanisch zu dem gleichen Zeitpunkt geöffnet, in dem die Plasmainjektion über die Triggerspalten der Schalter eingeleitet wird. Die Plasmainjektion wird nicht unterbrochen, bevor die vorbestimmten synchronisierenden Steuersignale für jeden Schalter empfangen werden.

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Claims

Ansprüche

1. Schaltungsanordnung für einen elektrischen Leistungsumformer, der zwischen ein Wechselstromsystem und Gleichstromleitungen geschaltet ist und für einen Betrieb entweder als Gleichrichter oder als Wechselrichter geeignet ist, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Festkörper-Umformer und das Wechselstromsystem Reihenimpedanzen (45, 46, 47) geschaltet sind, Schaltmittel (35, 36, 37) parallel zu diesen Impedanzen angeordnet sind, und diese Schaltmittel in eine erste !»etriebsstellung gebracht sind, wenn der Umformer als ein Gleichrichter arbeitet und in eine zweite Betriebsstellung, wenn der Umformer als Wechselrichter arbeitet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Impedanzen (45, 46, 47) Induktivitäten sind, die zu jeder Phase des Wechselstromsystems in Reihe angeordnet sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Betriebsstellung der Schaltmittel die offene Schaltstellung und die zweite Betriebsstellung der Schaltmittel die geschlossene Schaltstellung ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vorrichtung zur Schalttriggerung mit den Schaltmitteln verbunden ist und an einem vorbestimmten, vorteilhaften Punkt entweder der Spannungs- oder Stromkurve der Wechselstromleitung, in der jeweils eine Impedanz angeordnet ist, betätigbar ist, so daß die Schaltmittel selektiv in ihre erste oder zweite Betriebsstellung schaltbar sind, und daß Regelanordnungen der Vorrichtung zur Schalttriggerung Signale zuführen, welche anzeigen, ob ein Betrieb des Umformers als Gleichrichter oder als Wechselrichter folgt.

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5. Schaltanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Impedanz eine Induktivität ist und die erste Betriebsstellung der Schaltmittel die offene Schaltstellung und die zweite Betriebsstellung der Schaltmittel die geschlossene Schaltstellung ist.

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