DE1964755A1

DE1964755A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einspeisen,Speichern und Unterhalten eines elektrischen Stroms in einem Supraleiterstromkreis

Info

Publication number: DE1964755A1
Application number: DE19691964755
Authority: DE
Inventors: Jean Sole
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1968-12-27
Filing date: 1969-12-24
Publication date: 1970-07-02
Also published as: US3611114A; CH519256A; BE743468A; CA928803A; GB1280839A; ES374959A1

Description

tattntanwHM 410-15-241P . 24.12.1969

Plpl.-lnr. R. Beetz U.

Dipl.-Ing. Lsmpredit ,

München 22, Steinsdorfotr. 10

Commissariat ά I'&iergie Atomiquej P a r i s (Frankreich)

Verfahren und Vorrichtung zum Einspeisen, Speichern und Unterhalten eines elektrischen Stroms in einem Supraleiterstromkreis

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einspeisen, zum Speichern und erforderlichenfalls zum Unterhalten eines elektrischen Strome in einem Supraleiterstromkreis sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es ist bereits grundsätzlich, bekannt, zürn Speichern oder Einfangen eines Stroms in einem Stromkreis, der im allgemeinen eine Selbstinduktionsspule L oder eine Wicklung aus einem Supraleiter hat, nach Erzeugung des zu speichernden Strome I_Q durch diese Spule durch irgendeine

Einrichtung die Anschlüsse A und B dieser Spule durch eine elektrische Verbindung, insbesondere durch

Schließen eines Schalters K zu verbinden, der sich zwischen den Anschlüssen gemäß F- -& t der Zeichnung befindet. Die Selbstinduktionsspuu und der Schalter K befinden sich vorzugsweise in einem kryogenen Gehäuse (durch Strichlinie in der Zeichnung angedeutet), das erlaubt], das die Selbstinduktionsspule bildende Material in den Supraleitungszustand zu bringen. Der Schalter K kann, wenn er geschlossen ist, entweder ein vollkommen supraleitendes Element sein', so daß der Strom I unendlich lange im W Stromkreis gespeichert ist, wenn ein Generator G, der die notwendige Spannung erzeugt, abgeschaltet wird, oder ebenso eine Einrichtung sein, die im Schließzustand einen elektrischen Widerstand r hat, der so klein ist, daß, sobald der Generator abgetrennt ist, die Zeltkonstante — der Stromabnahme in der Selbstinduktionsspule L im Hinblick auf die Speicherdauer der Energie klein genug ist, damit diese Abnahme lugelassen oder als vernachlässigbar klein betrachtet werden kann·

Bekanntermaßen wird die Erzeugung eines Stroms I in der Selbstinduktionsspule L wie folgt vorgenommenι Bunächst t wird bei offenem Schalter K zwischen den Anschlüssen A und B eine Potentialdifferenz V mittels des Generators G erzeugt, wobei der Strom I (t) in der Selbstinduktionsspule der Gleichung genügt*

(1) V (t)> L

Wenn V (t) positiv let, ist —p*· ebenfalle positiv* was bedeutet, daß I (t) ansteigt· Umgekehrt, wenn V (t) negativ ist, 1st ¹ negativ, und I (t) nimmt ab·

Di· Gleichung (i) erlaubt, durch Integration den Strom

in der Selbstinduktionsspule zum Zeitpunkt t zu berechnen:

"O

Wenn der Strom I (t) den Wert I erreicht} der in der Induktionsspule L· gespeichert werden soll, wird der Schalter K geschlossen, und der Generator G wird abgetrennt. Es sind zwei Fälle denkbar, bei denen der elektrische Widerstand des Schalters Null ist oder einen sehr kleinen, aber endlichen Wert aufweist. '

Xm ersten Fall, der einem supraleitenden Schalter entspricht, schreibt sich die Gleichung (i), da die Spannung V Null ist, wie folgtr

woraus folgtt

(h) I = I m const
ο

Der Strom I fließt also unbegrenzt lange in der
Selbstinduktionsspule L.

Im zweiten Fall,, wenn der Widerstand des Schalters ungleich Null let, lautet die Gleichung für den Strom in der Selbstinduktionespulet

(5) f r»I
woraus folgt:

(6) I - I . e — ""Γ""" *

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Unter diesen Bedingungen nimmt I mit der Zeitkon·'

stanten — ab. r

Die Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist nur einfach, wenn die vom Generator erzeugte Spannung eine Gleichspannung ist oder mindestens konstantes Vorzeichen hat» wenn sie in der Amplitude variiert. Wenn jedoch die vom Generator abgegebene Spannung variabel ist oder ihr Vorzeichen ändert, insbesondere, wenn es sich um eine Wechselspannung handelt, oder während einer relativ langen Zeit ohne Vorzeichenwecheel Null wird, wird die Bedienung des Schalters bedeutend schwieriger.

Aus den eingangs gemachten allgemeinen Bemerkungen geht hervor, daß der Schalter, der zwischen den Anschlüssen des Supraleiterstromkreises angeordnet ist, offen sein muß, d. h. zwischen diesen Anschlüssen einen sehr großen elektrischen Widerstand zeigen muß, wenn die Spannung positiv ist.

Umgekehrt muß dieser Schalter geschlossen sein, d. h. für diese Anschlüsse einen Kurzschluß darstellen, wenn die Spannung negativ ist«

Außerdem 1st es notwendig, wenn die Spannung während einer bestimmten Zeit, ohne negativ zu werden, auf den Wert Null fällt, daß der Schalter geschlossen ist. Anderenfalls fließt der Strom über den Generator, der einen von Null verschiedenen Innenwiderstand hat, und der gespeicherte Strom nimmt ab.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Einspeisung, Speicherung und Unterhaltung

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eines Stroms in einem Supraieiterstromkreis anzugeben, wobei ein Generator für eine Spannung mit wechselndem Vorzeichen, insbesondere Wechselspannung, oder ein Generator verwendet werden kann, dessen Spannung während einer bestimmten Zeitdauer Null wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß an die Anschlüsse des Supraleiterstromkreises ein Stromgleichrichter so angeschlossen wird, daß seine Durchlaßrichtung-einer negativen Spannung zwischen diesen Anschlüssen entspricht, .

Die einfachste Ausführung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Spannungsgenerator direkt an die Anschlüsse des insbesondere durch eine Supraleiterspule gebildeten Supraleiterstromkreises angeschlossen ist, und daß zwischen den Anschlüssen mindestens ein Stromgleichrichter angeordnet ist·

Um die ganze vom Generator verfügbare Energie in den Supraleiterstromkreis einzuspeisen, und zwar unabhängig vom Vorzeichen der Ausgangsspannung, ist der Supraleiterkreis vorteilhafterweise an den Generator über eine Gleichrichterbrücke angeschlossen, die ausgehend von einer Spannung mit variablem Vorzeichen, die vom Generator abgegeben wird, eine Spannung mit konstantem Vorzeichen in die Anschlüsse des Supraleiterkreise· einspeist» __

Die Gleichrichter können Dioden oder Gleichrichter mit drei Elektroden wie Transietoren oder Thyristoren «ein, die an zwei Elektroden verbunden sind·

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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen!

Fig. 1 das Schaltbild einer bekannten Vorrichtung!

Fig. 2 und 3 zwei Ausführungsbeispiele der Gleichrichter schaltung an den Anschlüssen eines Supraleiterstromkreises j

Fig, k die Kennlinie eines gegebenen Gleichrichters j

Fig· 5 und 6 schematisch zwei andere Schaltungen, bei denen die Gleichrichter durch Elemente mit drei Elektroden gebildet sind] und

Fig* 7 und 8 zwei weitere Abwandlungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 2 ist weitgehend die Schaltung von Fig· 1 abk gebildet, nämlich mit einer Selbstinduktionsspule L aus einem Supraleiter, deren Anschlüsse A und B an einen Spannungsgenerator G angeschlossen sind. Die Selbstinduktionsspule L ist in ein kryogenes Gefäß E eingetaucht. Zwi- . sehen den Anschlüssen A und B befindet sich erfindungsgemäß ein Gleichrichter, der durch eine DJode D gebildet ist, die nur dann einen Strom im Stromkreis der Selbst-Induktionsspule L fließen läßt, wenn eine negativ« Spannung zwischen ihren Anschlüssen anliegt.

Wenn unter diesen Bedingungen der Generator G ein· Spannung (oder «in«n Strom) mit variablem Vorzeioh«n *b-

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gibt, ζ. Bos wenn der Spannungsgenerator ein Wechselstromnetz oder eine Antenne, die elektromagnetische Wellen empfängt; oder ein Wandler von mechanischer Energie in elektrische Energie ist, schließt der Gleichrichter D den Generator G kurz, wenn die an seine Anschlüsse angelegte Spannung in Durchlaß- oder Vorwärtsrichtung anliegt, so daß der Gleichrichter eine ähnliche Rolle wie der Schalter K spielt, wenn letzterer geschlossen ist* Umgekehrt zeigt der Gleichrichter in Rückwärts- oder Sperrichtung einen hohen Widerstand, so daß er eine Erhöhung des Stroms durch die Selbstinduktionsspule gemäß Gleichung (z) hervorruft.

Ähnlich ist, wenn der Spannungsgenerator G eine Spannung mit konstantem Vorzeichen abgibt, die aber während längerer Zeitintervalle Null wird (z. B₀ wenn es sich um thermoelektrische oder photoelektrische Zellen wie Thermoelemente oder um Sonnenzellen wie in Satelliten handelt), der Generator G durch den Gleichrichter D kurzgeschlossen, wenn die an seinen Anschlüssen angelegte Spannung Null wird, so daß auch der Speicherstromkreis geschlossen ist·

Die in Fig. 3 abgebildete Schaltung erlaubt die Einspeisung in die Selbstinduktionsspule L der an den Anschlüssen des Generators G verfügbaren Energie unabhängig vom Vorzeichen der Ausgangsspannung des Generators_o Zu diesem Zweck sind die Anschlüsse A und B einerseits und A¹ und B* andererseits über vier Dioden D , D_, EU und Dl in Brückenschaltung wie aus Fig. 3 ersichtlich geschaltet, so daß aus einer Spannung mit veränderlichem Vorzeichen zwischen den Anschlüssen A* und B¹ eine Spannung mit konstantem Vorzeichen zwischen den Anschlüssen A und B

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durch. Gleichrichtung aller Halbwellen gewonnen wird. Die übrige Schaltung, die den Gleichrichter oder die Diode D aufweist, ist ähnlich, der Schaltung von Fig. 2.

Es soll darauf hingewiesen werden, daß in der Schaltung von Figo 3 die Dioden D₁, D , D_ und D. vollständig vom Supraleiterkreis 'selbst getrennt sein können und insbesondere nicht in das kryοgene Gefäß E eingesetzt werden müssen. Diese"Dioden dienen im wesentlichen nur dazu, die ^ Spannung gleichzurichten und nicht den Strom im Supraleiterkreis zu speichern. Es ist dennoch vorteilhaft, diese Dioden mit supraleitenden Verbindungen zu versehen. Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann man den Gleichrichter D einfach weglassen. In diesem Fall sind die Dioden D₁ und D_ in Serie und parallel zu den Dioden D- und Dju geschaltet, die ihrerseits untereinander in Serie geschaltet sind, was die Stromspeicherung erlaubt.

Wenn r den Widerstand in Vorwärts- oder Durchlaßrichtung des Gleichrichters in der Schaltung von FIg₀ 2 bzw. 3 bezeichnet, wird der in der Selbstinduktionsspule L gespeicherte Strom gemäß der Gleichung (6) gedämpft. Der Gleichrichter oder die Diode. D muß daher so gewählt werden, daß sein bzw. ihr elektrischer Widerstand in Durchlaßrichtung klein genug im Vergleich zum Wert der Selbstinduktionsspule L 1st. Beispielsweise wird mit einem Gleichrichter D, der eine Diode vom (französischen) Typ 303 Zk oder 310 Zk ist, die in Fig« k gezeigte Strom-Spannungs-Kennlinie erhalten· Aus dieser erkennt man leicht die Spannung V_t jenseits der der Übergang der Diode von der Sperrich.tung (linker Teil der Kurve) in Durohlaßrich-. tung (rechter Teil der Kurve) vor sich geht, wobei diese Spannung etwas größer als 1 V ist, wenn die Diode z« B.

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auf eine Temperatur von 4,2 K des flüssigen Heliums gebracht wird. Wenn die Diode durch einen Strom in Vorwärtsrichtung durchflossen wird, ist die Spannung an ihren Anschlüssen, die gleich V ist, daher praktisch konstant, und zwar unabhängig vom Wert dieses Stroms« Unter diesen Bedingungen und für die Schaltungen von Fig. 2 und 3 entwickelt sich der Strom I , der in der Selbstinduktionsspule L gespeichert ist? gemäß folgender Gleichung}

mit V = const« Daraus folgt:
ο

(8) 1*1 τ-²— t

^v ' ο L

Der Strom I der Selbstinduktionsspule nimmt daher linear mit der Zeit ab. Er wird Null zum Zeitpunkt tx

(9)

Unter diesen. Bedingungen wird der Gleichrichter Β so gewählt, daß das Verhältnis — möglichst groß wird, damit der in der Selbstinduktionsspule gespeicherte Strom erst nach einer möglichst langen Zeit Null wird«

Ganz allgemein können die Dioden D einerseits und D. ■ Dj, andererseits durch irgendein geeignetes anderes Gleichrichter eye tem ersetzt werden. Insbesondere kann man Transistoren oder Thyristoren verwenden· So 1st in Fig. 5 ein derartiger Transistor abgebildet, der «inen Emitter 10, ein· Baeie 11 und einen Kollektor 12 hat, wobei die Basis und der Kollektor durch «Ine Verbindungsleitun« 13 ver-

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bunden sind. Eine derartige Schaltung ist daher der oben angegebenen Schaltung mit der »de D äquivalent.

In Fig. 6 findet man den gleichen Gleichrichter, wobei die Basis und der Kollektor über einen Stromkreis 14 verbunden sind, der einen elektrischen Widerstand 15 und einen dazu parallel geschalteten Kondensator 16 aufweist. Der Widerstand 15 dient zur ,richtigen Vorspannung der Basis, wobei gleichzeitig der Emitter-Basisstrom beschränkt P wird. 0er Kondensator 16 ist dazu bestimmt, zur Basis die schnellen Potentialschwankungen zwischen den Anschlüssen des Gleichrichters zu übertragene

In der entsprechenden Schaltung mit einem Thyristor sind die Anode und die Steuerelektrode möglicherweise über einen Schutzwiderstand verbunden.

Gemäß Fig. 7 ist der Generator G durch einen supraleitenden Transformator ersetzt, wobei L. die Selbstinduktion der supraleitenden Primärwicklung, L_ die Selbstinduktion der supraleitenden Sekundärwicklung und M die Ge- ^ " geninduktion der beiden Wicklungen und I₂ die Selbstinduktion der Spule im Supraleiter bezeichnet» in die der Strom eingespeist werden soll, ferner I₁ und i„ den Primär- bzw. Sekundärstrom und D und D. zwei Dioden, die das automa-

a D

tische Umschalten des Stromkreises erlauben, so daß der erzeugte Strom eingespeist und gespeichert werden kann.

In der eben beschriebenen Schaltung wird der Strom in der Wicklung !„des Supraleiters in aufeinanderfolgenden Stufen erzeugt, wie insbesondere in der FR-PS 1 522300 vom 23. 2. 1967 beschrieben ist, wobei di· Dioden D_& und D, gleichzeitig eine Doppelrolle als Schalter u4d automatische Umschalteinrichtung für diese spielen·

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Ebenso ist im Ausführungsbeispiel von Fig. 8 die Sekundärwicklung des Transformators in zwei symmetrische Wicklungen L und L₂₂ unterteilt, wobei ein Lastkreis I₂ an eine Mittelanzapfung dieser Wicklungen unter Parallelschaltung zu einer ersten Diode D angeschlossen ist, während zwei andere Dioden D₁ und D abwechselnd für die beiden Abschnitte der Schaltung'die Rolle der Diode D^ der Schaltung von Fig. 7 spielen» Diese Schaltung hat den Vorteil, daß zur Stromversorgung des Supraleiterstromkreises zwei Halbwellen des Stroms I₂ von der Sekundärwicklung des Transformators verwendet werden könneru

Mit den Schaltungen von Fig. 7 und 8 ist es möglich, z. B. direkt an das Netz zu gehen. Es soll darauf hingewiesen werden, daß bei diesen Schaltungen nur die Primärwicklung des supraleitenden Transformators von einem Wechselstrom durchflossen wird. Seine Sekundärwicklung wird von einem Strom mit konstantem Vorzeichen (Wirkung des Gleichrichters D, oder der Gleichrichter D₁ und D₂), aber schwacher Stromstärke durchflossen«-Die energiespeichernde Selbstinduktionsspule I₂ wird von einem Strom mit konstantem Vorzeichen und mit einer Stromstärke durchflossen, die alternativ konstant ist oder langsam ansteigt. Daraus■ergibt sich vor allem die Notwendigkeit, besondere Vorkehrungen für den Bau der Primärwicklung des Transformators zu treffen, wenn für diesen ein Wechselstrom mit Industriefrequenz verwendet wird. Man kann diese Primärwicklung ausführen in Formt

sehr reiner klassischer Leiter (z. B₉ aus Kupfer oder Aluminium), die einen sehr schwachen Widerstand bei sehr niedriger Temperatur haben und nur sehr wenig Joule¹sehe Wärme erzeugen|

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sehr gut stabilisierter Supraleiter (insber sondere durch Überschuß sehr guter elektrischer Leiter wie Kupfer oder Aluminium oder durch elektrischen Widerstand zeigende Werkstoffe, die jedoch gute Wärmeleiter sind, wie Nickel-Kupfer-Legierungen usw., die eine bessere Verteilung des Magnetfelds erlauben und die Alterung bei Wechselbetrieb verringern)f oder

eines überdimensionierten Primäretromkreises.

Man kann die gleichen Lösungen für die Sekundärspule des Transformators und für die Verbindungen zwischen der Sekundärspule, den Gleichrichtern und der Selbstinduktionsspule 1„ verwenden. Diese Lösungen sind hier weniger notwendig, weil der Strom nicht mehr sein Vorzeichen in diesem Teil des Stromkreises ändert.

Für die Selbstinduktionespule 1„, die nur einen konstanten oder langsam ansteigenden Wechselstrom "sieht¹¹, " sind diese Lösungen noch weniger zwingend.

Es soll schließlich darauf hingewiesen werden, daß in den anderen Ausführungsbeispielen, die bereite erläutert wurden, die Dioden der Schaltungen von Fig. 7 und 8 duroh Gleichrichter mit drei Elektroden wie Transistoren oder Thyristoren ersetzt werden können»

Unabhängig von der gewählten Sehaltung kann die in der Selbstinduktionsspule L gespeicherte Energie «u jedem

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Zeitpunkt an eine äußere Lastimpedanz abgegeben werden, indem diese an die Anschlüsse des SupraleiterStromkreises nach Abtrennen des Generators G und Öffnen des Schalters zwischen den Anschlüssen angeschlossen wird· Dieses Öffnen kann entweder durch Steuerung der Spannung der
Basis, wenn der Schalter ein Transistor ist, oder durch Schalten in Serie mit dem Grldehrichter D eines üblichen supraleitenden Schalters vorgenommen werden, der zu einem geeigneten Zeitpunkt offen ist»

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Claims

Patentansprüche

Λ »J Verfahren zum Einspeisen, Speichern und Unterhaiten eines von einem Spannungsgenerator abgegebenen elektrischen Stroms in einem Supraleiterstromkreis, dadurch gekennzeichnet, daß an die Anschlüsse (A, B) des Supraleiterstromkreises (l) ein Stromgleichrichter (D) so angeschlossen wird, daß seine ψ Durchlaßrichtung einer negativen Spannung zwischen diesen Anschlüssen entspricht (Figo 2).

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Spannungsgenerator (G), der direkt an die Anschlüsse (A, B) des Supraleiter Stromkreises (l) angeschlossen ist, zwischen denen . mindestens ein Gleichrichter (d) gesahaltet ist (Fig. 2)·

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Supraleiterstromkreis (L) an den Spannungsgenerator (G) über «ine Gleichrichter brücke (D₁, D₂, D_, angeschlossen ist, die aus vom Spannungsgenerator abgegebener Spannung mit veränderlichem Vorzeichen eine Spannung mit konstantem Vorzeichen erzeugt und letztere in die An schlüsse (A, B) des Supraleiterstromkreis·· einspeist (Fig. 3).

k. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter Dioden (D) aind (Fig. 2)„

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5· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter Transistoren sind, deren Basis (ii) und Kollektor (ΐ2) zusammengeschaltet sind (Fig. 5t

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter Thyristoren sind; deren Anode und Steuerelektrode zusammengeschaltet sind.

7· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (g) eine Spannung mit veränderlichem Vorzeichen abgibt·

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerat or (g) eine Wechselspannung abgibt·

9· Vorrichtung aach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (G) eine Spannung mit konstantem Vorzeichen abgibt, die Null werden kann»

10« Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgenerator (g) durch einen Transformator gebildet ist, dessen Primärwicklung (L.) ein Supraleiter ist und dessen Sekundärwicklung (L-) direkt Über deren Anschlüsse an dl· des Supraleiterstromkreises (l„) angeschlossen ist, und daß ein erster Gleichrichter (D*) parallel zu einer Serienschaltung der Sekundärwicklung und

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eines zweiten Gleichrichters (.D. ) geschaltet ist (Fig. 7)₀

11· Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (L?) eine Mittelanzapfung hat, die an einen der Anschlüsse des Supraleiterstromkrelses (lp) angeschlossen ist, dessen anderer Anschluß an einen Verbindungspunkt von zwei Verbindungeleitungen angeschlossen ist, die mit den Enden der Sekundärwicklung verbunden sind, und daß der Supraleiterstromkreis parallel zu einem ersten Gleichrichter (D ) geschaltet ist, während die Verbindungsleitungen jeweils einen anderen Gleichrichter (D₁, D₂) in Serie geschaltet haben·

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