DE2530961A1 - Folgegesteuerte, loeschbare brueckenschaltung - Google Patents

Description

MANNHEIM BROWN BOVERl

BROWN BOVEI

'· Mp.-Nr. 597/75 Mannheim, 9. JuIi 1975

ZFE/P3-Pp./Ha.

"Folgegesteuerte, löschbare Brückenschaltung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine folgegesteuerte Einphasen-Brückenschaltung, die gleichstromseitig je Gleichstrompol m-Zv/eige mit Halbleiterventilen aufweist und die wechselstromseitig an mindestens eine Wechselstromquelle angeschlossen ist. Dabei kann es sich um eine einstufige (m=2) oder mehrstufige Schaltung handeln.

Die Erfindung bezieht sich entsprechend weiterhin auf eine mehrfach-folgegesteuerte Brückenschaltung, die gleichstromseitig je Gleichstrompol parallele Zweige mit Halbleiterventilen aufweist, und die wechselstromseitig an (m-1)-Wechselspannungsquellen angeschlossen ist.

Derartige Gleichrichterschaltungen können bevorzugt für elektrische Triebfahrzeuge verwendet werden.

Man unterscheidet bekanntlich vollgesteuerte und halbgesteuerte Einpl" -isen-Brückenschaltungen ("Silicium-Stromrichter-Handbuch" Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz), 1971,

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S. 151; das Buch von Heumann/Stumpe "Thyristoren", Verlag W. G. Te ibner, Stuttgart, 3. Auflage (1974), S. 112). Die Erfindung bezieht sich auf beide Ausführungsformen.

Folgesteuerung bedeutet die Reihenschaltung von Teilstromrichtern, wobei immer nur ein Stromrichter den gesamten Steuerbereich durchläuft, während sich alle anderen in einer der beiden Steuerungsendstellungen befinden (vorgenanntes BBC-Handbuch, S. 143, 144 u. 239, 240). Die Einphasen-Brückenschaltung kann als Hintereinanderschaltung zweier Zweipuls-Mittelpunktschaltungen aufgefaßt werden. Eine Folgesteuerung liegt somit auch bei den halbgesteuerten Brückenschaltungen vor (vgl. BBC-Druckschrift D GHS 402 70 D vom Februar 1970, S. 10).

Es ist weiterhin im Zusammenhang der Folgesteuerung bekannt, eine An- und Abschnittsteuerung, eine sogenannte Sektorsteuerung, vorzunehmen (Prof. Dr. J. Förster, "Löschbare Fahrzeugstromrichter zur Netzentlastung und -Stützung", Zeitschrift "Elektrische Bahnen", Heft 1 (4 3. Jg., 19 72), S. 13 bis 19; US-PS 3 392 319).

Neben der gleichstromseitigen Folgesteuerung ist auch die wechsel stromseitige Folgesteuerung mehrerer Stromrichter bekannt. In der 1973 erschienen Dissertation von P. Winter,"Einfluß der Glättungs- und Kommutierungsreaktanzen auf das Netzverhalten von mehrfah-folgegesteuerten Stromrichtern in einphasiger halbsteuerbarer Schaltung"^wird u.a. die wechselstromseitige Folgeschaltung eingehend beschrieben. Eine solche bekannte nicht löschbare_fzweistufige, unsymmetrisch halbgesteuerte Brückenschaltung ist in vorliegender Fig. 4 dargestellt. Dabei sind die Wechselstromquellen mit U_Nl, U „,..., die Netzinduktivitäten mit I* und die Halbleiterventile in Form von Thyristoren mit nl bis n4, sowie die Halbleiterventile in Form von Dioden mit n5, n6 bezeichnet. Der Nachteil einer solchen zwei- oder mehrstufigen

— "5 _

J = Zeitschrift "Elektrische Bahnen" 1973, S. 279-284 u. 1974j.Sj.il 5-

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auf das Netz aufkommutierbaren Schaltung besteht darin, daß sie Grundschwingungsblindleistung benötigt.

Der Erfindung liegt ausgehend von der zuletzt beschriebenen Anordnung die Aufgabe zugrunde, eine Brückenschaltung ohne Kommutierungsthyristoren für den Ein- und Zwei-Quadranten-Betrieb zu schaffen, mit deren Hilfe der Grundschwingungs-Leistungsfaktor cos if zwischen Netzspannung und -strom kapazitiv, induktiv oder auf 1 eingestellt werden kann, d.h., es wird eine Leistungsfaktoroptimierung bei relativ geringem Schaltungsaufwand bezweckt.

mindestens j Die Lösung besteht darin, daß erfindungsgemäß'm Dioden auf den (m-1) Wechselspannungsquellen zugeordneten Seiten mit den mit einem der Gleichstrompole verbundenen m-Thyristoren in Reihe geschaltet sind und daß die gemeinsamen Elektroden der m-Thyristorjen und m Dioden über Kommutierungskondensatoren (Cl, C2,...) miteinander verbunden sind, wobei m=2, ist.

Die Lösung besteht in ihrer einfachsten Form in einer Schaltung mit m=2, so daß zwei Dioden auf den beiden Polen der Wechselstromquelle zugeordneten Seiten mit den mit einem der Gleichstrompole verbundenen 2 Thyristoren in Reihe geschaltet sind,und daß die gemeinsamen Elektroden der 2 Thyristoren und der 2 Dioden über einen Kommutierungskondensator miteinander verbunden sind. Dabei können die in den anderen Brückenzweigen liegenden Halbleiterventile, wie an sich bekannt, Dioden oder Thyristoren sein, d.h., es kann sich um eine halb- bzw. vollgesteuerte Einphasen-Brücke handeln.

! Für die Anwendung dieses Grundprinzips auf eine mehrfach-folgegesteuerte Brückenschaltung gibt es folgende erfindungsgemäße Lösungen'.

in allen Fällen ι Die mehrfach-folgegesteuerte Brückenschaltung hatMm-lJ Wechsel-

C( ■:':?■/: /057 5

Stromquellen und m Zweige bezüglich mindestens eines Gleichstrompols. Diese m Zweige sind parallel geschaltet und bilden an ihren Enden zusammen jeweils den bzw. die Gleichstrompol(e).

Man kann eine solche Brückenschaltung derart aufbauen, daß erfindungsgemäß Je Gleichstrompol eine unterschiedliche Anzahl von Zweigen vorgesehen ist, derart, daß eine einstufige, löschbare Mittelpunktschaltung und eine mehrstufige Mittelpunkts chaltung hintereinandergeschaltet sind, wobei den beiden dem einen Gleichstrompol zugeordneten Thyristoren in beiden Zweige der einstufigen Mittelpunktschaltung Dioden in Reihe geschaltet sind und die gemeinsamen Elektroden des einen Thyristors und der einen Diode über einen Kommutierungskondensator mit den gemeinsamen Elektroden des anderen Thyristors und der Diode verbunden sind und wobei dem anderen Gleichstrompol in vier parallelen Zweigen liegende Thyristoren zugeordnet sind.

Mit einer solchen Schaltung kann der Gleichstrom durch die vea? setzte Zündung der Thyristoren des andern Gleichstrompols in (m-1) Stufen auf das Netz aufkommutiert und mit Hilfe des Kommutierungskondensators in einer Stufe abkommutiert werden.

Entsprechend können eine löschbare mehrstufige Mittelpunktschaltung und eine einstufige Mittelpunktschaltung hintereinandergeschaltet werden.

Bei einer zweiten Lösung ist jedem Gleichstrompol eine gleiche Zahl m von Ventilzweigen zugeordnet und jeweils eine Diode auf der den (m-1) Wechselstromquellen zugewandten Seite jeweils einem der m Thyristoren, die den einen Gleichstrompol bilden, in Reihe geschaltet, und die gemeinsamen Elektroden der mJThyristoren und m Dioden werden über (m-1) Kommutierungskondensatoren miteinander verbunden.

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Mit einer solchen Schaltung kann der Gleichstrom durch die versetzte Zündung der m Thyristoren <fes anderen Gleichstrompols in (m-1) Stufen auf das Netz aufkommutiert und mit Hilfe der (m-1) Kommutierungskondensatoren auch in (m-1) Stufen abkommutiert werden.

Bei einer dritten Lösung wird Jeweils eine Diode auf der den (m-1) Wechselstromquellen zugewandten Seite dem zu einem Gleichstrompol gehörenden Thyristor des ersten und des m-ten Zweiges

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in Reihe geschaltet und den anderen zu dem Gleichstrompol gehörenden Thyristoren werden 2 Dioden in Reihe geschaltet. In den zwischen dem ersten und m-ten Zweig liegenden anderen Zweigen werden deshalb zwei Dioden vorgesehen, damit im Gegensatz zur vorhergehenden Lösung die Kommutierungskondensatoren so geschaltet werden können, daß sie jeweils durch eine Diode voneinander getrennt sind. Bei dieser Wahl der Anordnung der Kommutierungskondensatoren wird die Spannungsbeanspruchung der Thyristoren günstiger. Auch mit dieser Schaltung kann ein Betrieb mit (m-1) stufiger Auf- und Abkommutierung durchgeführt werden.

ist vorzugsweise Zur Verbesserung des Betriebsverhaltens der einsatz eines Hilfskondensators vorzusehen. In Abhängigkeit von der Aufgabe, die er erfüllen soll, gibt es verschiedene Anschlußmöglichkeiten.

Man kann diesen Hilfskondensator so über Ladedioden an das Netz

betriebsmäßig
anschließen, daß er ^parallel zum Kommutierungskondensator

liegt, damit eine starke überladung dieses Kondensators durch die Entmagnetisierung der Leitungs- und Streuinduktivität des Transformators verhindert und außerdem geeignet ist, netzseitige Überspannungen aufzunehmen. Der Kondensator kann außerdem durch zwei Hilfsthyristoren zur Gleichstromseite hin entladen werden.

Da die Spannungshöhe, auf die der Kommutierungskondensator bei einem KommutierungsVorgang umgeladen wird, u.a. vom Augenblickswert der Netzspannung abhängt, kann diese Zündwinkelabhängigkeit der Spannung dadurch vermieden werden, daß der Hilfskondensator die Abkommutierung des Netzstromes übernimmt und außerdem als Stützkondensator die Umladung des Kommutierungskondensators auf einen annähernd konstanten, zündwinkelunabhängigen Spannungswert übernimmt.

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Diese Anschlußraöglichkeiten des Hilfskondensators lassen sich in der einfachen Brückenschaltung und in der mehrfach- folgegesteuerten durchführen.

Nähere Einzelheiten werden anhand der in den Zeichnung^! dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Die Zeichnungen zeigen, außer der Fig. 4, erfindungsgemäße Ausführungsformen, im einzelnen:

Fig.1 eine Schaltung für den Ein-Quadranten-Betrieb Fig.2 eine Schaltung für den Zwei-Quadranten-Betrieb

Fig.3a bis

Fig.3d Phasen des Vorganges der Abkommutierung, wie sie Gültigkeit haben für die Schaltungen nach Fig. 1 und Fig. 2

Fig.4 eine bekannte zweistufige, unsymmetrische, halbgesteuerte Brückenschaltung

Fig.5 eine mehrstufig zünd- und einstufig löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung

Fig.6 eine mehrstufig zündbare und mehrstufig löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung

Fig.7 eine mehrstufig zünd- und löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung entsprechend Fig.5, bei der zusätzlich die Kommutierungskondensatoren durch Dioden entkoppelt sind

Fig.8 eine einstufig zünd- und mehrstufig löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung

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Fig. 9 eine Schaltung entsprechend Fig.2, die durch einen Hilfskondensator ergänzt wird, der mittels 4 Ladedioden ans Netz angeschlossen ist und über zwei Hilfsthyristoren entladen werden kann,

Fig. 10 eine Schaltung entsprechend Fig.7, bei der der untere Hilfsthyristor durch zwei Hilfsthyristoren, die antiparallel zu den Ladedioden geschaltet sind, ersetzt wird,

Fig. 11 eine vollgesteuerte löschbare Brückenschaltung mit mit Hilfskondensator, der mit zwei Ladedioden ans Netz geschaltet ist und über zwei Hilfsthyristoren die Umladung des Kommutierungskondensators beeinflußt,

Fig. 12 eine Schaltung entsprechend Fig.11 mit Freilaufdiode,

Fig. 13 eine Schaltung entsprechend Fig.11, bei der der Stützkondensator aber durch drei Ladedioden an das Netz geschaltet ist und über vier Hilfsthyristoren die Umladung des Kommutierungskondensators stützt,

Fig. 14 eine Schaltung entsprechend Fig.11, bei der der Stützkondensator durch vier Ladedioden ans Netz geschaltet ist und über vier Hilfsthyristoren die Umladung des Kommutierungskondensators stützt,

Fig. 15 eine zweistufig zünd- und löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung mit Hilfskondensator entsprechend Fig.11,

Fig. 16 Zweistufig zünd- und löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung mit Entkoppeldiode zwischen den Kommutierungskondensatoren und einem Hilfskonden-

sator entsprechend Fig.11,

Fig. 17 den zeitlichen Verlauf der gleichgerichteten Spannung und des Netzstromes bei zweistufiger Zündung und Löschung,

Fig. 18 eine dreistufige zünd- und löschbare vollgesteuerte Brückenschaltung mit drei Hilfskondensatoren, die durch acht Ladedioden ans Netz geschaltet sind und über zwei Hilfsthyristoren entladen werden können und

Fig. 19 Gleichspannung U, und primären Netzstrom I bei der

dreistufigen löschbaren Brückenschaltung

Fig. 1 zeigt eine Einphasen-Brückenschaltung für den EinQuadranten-Betrieb. Mit dieser Schaltungsanordnung ist eine einstufige Abschnittsteuerung möglich. Wechselstromseitig befinden sich eine Wechselspannungsquelle U_n und die Netzinduktivität L-. Die Brückenzweige sind vollkommen gleich aufgebaut In der oberen Brückenhälfte enthält jeder Zweig die Reihenschaltung eines Thyristors n., n„ und einer Diode η bzw. n in der unteren Brückenhälfte jeder Zweig eine Diode n₂ ^ bzw. n. ... Ein Zommutierungskondensator C₁ liegt in der oberen Brückenhälfte und ist zwischen dem Thyristor n₁ und der Diode η. _Λ bzw. zwischen dem Thyristor n, und der Diode η, _Λ angeschlossen.

In der Fig. 2 sind in der unteren Hälfte an Stelle der Dioden n_{p 1} und n. -, Thyristoren n_? und n. angeordnet. Die Schaltung ist für den Zwei-Quadranten-Betrieb geeignet und erlaubt sowohl die An- als auch die Abschnittsteuerung. Der Anschnitt der Gleichrichterspannung U_d wird durch Zünden des Thyristors n_o bzw. η beeinflußt und der Abschnitt der Gleichrichter-

^ 4
spannung U, durch Zünden des Thyristors n. bzw. η .

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In den Fig. 3a bis d ist der Kommutierungsvorgang anhand der Schaltung nach Fig. 2 und des jeweils strichliniert eingezeichneten Strompfades dargestellt. Der Kommutierungsvorgang spielt sich in gleicher Weise bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ab.

Ausgehend von den eingetragenen Spannungsrichtungen sind während der positiven Halbschwingung der Thyristor n., und die Diode n, ₁ (Fig.1) bzw. der Thyristor n. (Fig.2) leitend (Fig.3a) Der Kommutierungskondensator C. ist so aufgeladen, daß seine Spannung IL-,.. = IL-, in Durchlaßrichtung am Thyristor n, liegt. Soll nun der Thyristor n- während der positiven Halbschwingung der Netzspannung gelöscht werden, so muß der Thyristor n^ ge-_ zündet werden (Fig. 3b). Der Strom durch den Thyristor n.. kommutiert nahezu augenblicklich auf den Thyristor n, und den Kommutierungskondensator C₁· Durch den konstanten Laststrom I„ = I, = const, wird der Kondensator C₁ linear umgeladen, bis die Spannung an der Diode n, ₁ Null geworden ist. Es bildet sich dann ein Schwingkreis bestehend aus dem Kommutierungskondensator C₁ und der Netzinduktivität L.. Die Differenzspannung aus Up₁ und IL- treibt einen Strom, der den Strom in der Diode n_{1 1} abbaut und in der Diode η, _Λ aufbaut (Fig.3c).

Nach dem Kommutierungsvorgang von dem Thyristor n- auf den Thyristor n, schließt sich also ein zweiter Kommutierungsvorgang von der Diode n, _i auf die Diode η, _Λ an. Der zweite Kommutierungsvorgang ist abgeschlossen, wenn der Strom durch die Diode n_{1 1} Null geworden ist (Fig.3d).

Die Kondensatorspannung Up₁ liegt nach abgeschlossener Kommutierung von Thyristor n.. nach Thyristor n, in Durchlaßrichtung am Thyristor n₁. Die Zeitspanne, in der, bei erneuter Einleitung der Kommutierung durch die Zündung des Thyristor n₁, die Kondensatorspannung von U_C1 = -U nach U_n. = O geht, muß der Schonzeit des Thyristors n^ entsprechen. Sobald die Spannung Up₁ > O wird, liegt sie in Durchlaßrichtung an dem

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Thyristor η... Nach der abgeschlossenen Kommutierung ist der Kommutierungskondensator C₁ wieder auf U_C1 = U- aufgeladen.

Die durch P.Winter bekannte und in Fig. 4 dargestellte Schaltung ist nur für eine Anschnittsteuerung geeignet. Sie wird, wie in den Fig. 5, 6, 7 und 8 dargestellt, durch Kommutierungseinrichtungen ergänzt, die außer der Anschnittsteuerung auch die Abschnittsteuerung gestatten.

Die in Fig. 5 angegebene Schaltung ist im Grundprinzip eine Hintereinanderschaltung einer einstufigen und einer mehrstufigen Milfcelpunktschaltung, wobei die einstufige löschbar·:; ausgeführt wird. Dies wird dadurch erreicht, daß den beiden Thyristoren n.. und ⁿf 2m—1) ^{der e}i^ns"^tufis^en Mittelpunktschaltung Dioden n₁ ^ und a(2m-1) 1 ^{ln Reihe} geschaltet und daß die gemeinsamen Elektroden des Thyristors n₁ und der Diode n₁ .j mit den gemeinsamen Elektroden des Thyristors Hz_21n-1) und der Diode n-fom-·]) ι ^"ber einen Kommutierungskondensator C. miteinander verbunden werden. Mit einer solchen Schaltungsanordnung ist eine mehrstufige Auf- und einstufige Abkommutierung möglich.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Schaltung wird den^msymmetrisch angeordneten Thyristoren einer aus m Zweigen bestehenden mehrstufigen Einphasen-Brückenschaltung auf der den (m-1) Wechselstromquellen zugewandten Seite, je eine Diode n_{1 1f} n, ., n₅ y ··.» ⁿ(2m-1) 1 ^{in Reihe} geschaltet. Die gemeinsamen Elektroden der m-Thyristoren n-, n, , ... und der m-Dioden n.. .., n„ .j, ... werden über (m-1) Kommutierungskondensatoren Cj, C», ..., C(2_m_i) miteinander verbunden. Mit dieser Schaltung kann ein Betrieb mit mehrstufiger Auf- und Abkommutierung durchgeführt werden.

Durch die Einfügung von zwei in ReLhe geschalteten Dioden n, .., n, _o, n_c -, n_{c o} usw. in den Zweigen, die zwischen den beiden

JtC. P.I j »c.

äußeren liegen (Fig. 7), können die (m-1) Kommutierungs-

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kondensatoren so geschaltet werden, daß sie Jeweils durch eine Diode voneinander entkoppelt sind. Dadurch wird die Spannungsbeanspruchung der Thyristoren verbessert, und die Schaltung ist ebenfalls für einen Betrieb mit mehrstufiger Auf- und Abkommutierung geeignet.

Anstelle der Thyristoren n₂, n., n^, ..., Hf₂m) ^{in den} Schaltungen, wie in Fig. 6 und Fig. 7 dargestellt , können auch Dioden eingesetzt werden. Dann kann mit diesen Schal- ' tungen eine mehrstufige Abschnittsteuerung durchgeführt werden.

Bei der in Fig. 8 dargestellten Schaltung handelt es sich, wie bei der Anordnung in Fig. 5, um die Hintereinanderschaltung einer einstufigen und einer mehrstufigen Mittelpunktschaltung, jedoch ist hier die mehrstufige nach dem Löschprinzip von Fig. 6 löschbar ausgeführt.

Die in Fig. 2 dargestellte Schaltung kann durch einen Hilfskondensator Cp ergänzt werden. Die erweiterte Schaltung ist in Fig. 9 angegeben. Dieser Kondensator C_ hat die Aufg; be, eine starke Überladung des Kondensators C₁ während der eigentlichen Abkommutierung vom Netz dadurch zu verhindern, daß er parallel zum Kommutierungskondensator C₁ geschaltet wird. Der Hilfskondensator ist über vier Ladedioden n^ ₂,n.j ,, n_ ^, und n, r mit dem speisenden Netz und über zwei Hilfsthyristoren n_o r- und n_{n c} , mit deren Hi i f e er zur Gleichstromseite hin entladen werden kann, mit den beiden Gleichstrompolen verbunden Bei der Entladung des Kondensators C₂ kommutiert der Strom aus dem Freilauf (n^, n, .., n-) auf die Elemente η , C₂ und n_o p. Am Ende der Entladung müssen daher die Thyristoren n, und n. zur Wiederherstellung des Freilaufes erneut gezündet werden.

Auf die erneute Zündung des Thyristors n. kann verzichtet werden,wenn, wie in Fig. 10 dargestellt, zusätzlich zu den beiden Ladedioden n, <- und n, ^ zwei Hilfsthyristoren antiparallel - 12-

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- ^- \^ 253Ü961

angeordnet werden.

Eine andere Form des Anschlusses des Hilfskondensators C₂ ist in Fig. 11 dargestellt. Er ist durch die Ladedioden n. „ und η , und durch die Hauptthyristoren n. und n₂ mit dem speisenden Netz verbunden. Er liegt mit seiner einen Elektrode gleichzeitig an einem der beiden Glefohstrompole, mit seiner anderen ist er über zwei Thyristoren n_{2 2} und n₂ , an die Elektroden des Kommutierungskondensators angeschlossen. Mit Beginn der Zwangskommutierung wird zusammen mit dem Thyristor n, der Thyristor n_{2 2} bzw. zusammen mit dem Thyristor n. der Thyristor n_o , gezündet. Durch die Zündung von n, verlöscht

C. . J J

der Strom, wie beschrieben, nahezu momentan im Thyristor η^» und durch die Zündung von n_{2 2} kommutiert der Strom vom Netz auf den Hilfskondensator, so daß für das Durchschalten der Diode n_ ₁ nun die Spannung von C₀ und nicht mehr der Augen-

J . I c.

blickswert der Netzspannung maßgebend ist. Wenn nun gilt C₂ » C₁, lädt sich der Kommutierungskondensator immer unabhängig vom Zündwinkel und vom Strom auf einen annähernd konstanten Spannungswert auf. Man kann den Hilfskondensator daher als Stützkondensator bezeichnen. In der besprochenen Schaltung muß der Thyristor n. zur Kommutierung des Stromes in den Freilauf nachgezündet werden, wenn durch die Umladung des Kondensators C. die Diode η, ₁ Durchlaßspannung erhält.

Auf das erneute Zünden des Thyristors n, kann verzichtet werden, wenn, wie in Fig. 12 dargestellt, die Freilaufdiode η. eingesetzt wird. Dies gilt jedoch nur für den Eln-Quadranten-Betrieb. Für den Zwei-Quadranten-Betrieb ist eine Schaltungsanordnung in Fig. 13 angegeben. Der Stützkondensator C₂ ist über Ladedioden n_{i o}, η_Λ , und über Hilfsthyristoren n, ,, n, an das speisende Netz und über die Ladedioden n, _n an einen

j · ι

Gleichstrompol und damit über die Thyristoren n. bzw. n₂ ebenfalls an das speisende Netz angeschlossen. Durch die Anordnung der Hilfsthyristoren n, , und n, . bleiben die

J « J J · T^-

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Thyristoren η, bzw. η auch nach dem Kommutierungsvorgang vom Netz auf den Kondensator Cp leitend, so daß kein Nachzünden erforderlich wird. Nach wie/vor wird aber der Stützkondensator in Abhängigkeit vom Zündzeitpunkt des Thyristors n. bzw. Ti nachgeladen.

Diese Abhängigkeit wird in der in Fig. 14 angegebenen Schaltung vermieden. Der Stützkondensator C„ ist duch die Ladedioden n„ „, n, .., n. , und n, ., an das speisende Netz an-1 · t 3.5 1.3 3.D

geschlossen. Antiparalel zur Ladediode η bzw. n, g liegt der Hilfsthyristor n, . bzw. η . Die Nachladung des Stützkondensators C„ kann daher unabhängig vom Zündzeitpunkt des Thyristors n. bzw. n₂ erfolgen.

In Fig. 15 ist ehe Schaltungsanordnung nach Fig. 6 mit drei parallelen Brückenzweigen (m=3) und zwei Spannungsquellen dargestellt.

Die Schaltung wird durch einen Stützkondensator Cp erweitert, Die Anordnung und seine Funktion entspricht der wie für die einstufige Schaltungsanordnung in Fig. 10 beschrieben wird. Durch die Anordnung der Ladedioden n- _o und n. _ wird der Kondensator zündwinkelabhängig auf die Spannung U«« - U_N1 + ι aufgeladen.

Die Ladediode η_{Λ o} oder n. , könnte auch an den mittleren Brückenzweig angeschlossen werden, so daß die Spannung

TT — TT »HOT TT — i\ w? r*rl

^UC2 ^UN1 ^{Oüer U}C2 ^UN2 ^Wira·

Der Anschluß des Stützkondensators Cp in der mehrstufigen Brückenschaltung kann außerdem noch, wie für die einstufige Brückenschaltung in den Fig. 12, 13 und 14 beschrieben, erfolgen.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 16 entspricht der nach Fig.7 mit drei parallelen Brückzweigen. Sie wird durch den Stütz-

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kondensator C_ erweitert. Die Betriebsweise der Schaltung entspricht der in Fig. 15. Im Aufbau unterscheiden sich die mittleren Brückenzweige. Abweichend von dem in der Schaltung nach Fig. 15 ist zwischen der Anode des Thyristors n, und dar Kathode der Entkoppeldiode η, _Λ eine weitere Diode n, geschaltet. Die beiden Kommutierungskondensatoren C₁ und CL· und die Diode n- ₂ bilden eine Reihenschaltung. Auf die Bedeutung der Diode n-, _o wurde bereits in der Beschreibung für die Fig. 7 hingewiesen.

In Fig. 17 sind die Gleichspannung U, und der auf der Primärseite eines Transformators fließende Strom I_n der zweistufigen Brückenschaltung als Zeitfunktion bei idealisierter Betrachtung dargestellt.

In der Fig. 18 wird eine Schaltungsanordnung nach Fig. 5 mit vier parallelen Brückenzweigen dargestellt. Die Schaltung erlaubt es, den Netzstrom in drei Stufen auf- und in ebenso vielen Stufen abzukommutieren.

Die Schaltung enthält drei Hilfs- bzw. Stützkondensatoren C₆, C₈ und C_1Of die, wie bei der einstufigen Brückenschaltung nach Fig. 9 gezeigt'* an die Netzspannungen über die Ladedioden n_g<1 bis n_12<2 und an die Gleichstrompole über die Hilfsthyristoren n₂ . und n_{2 5} angeschlossen sind. Jeder Stützkondensator ist einem Kommutierungskondensator zugeordnet.

Der Anschluß des Stützkondensators kann außerdem noch, wie für die einstufige Brückenschaltung in den Fig. 10 und H beschrieben, erfolgen.

Zum Verständnis der mehrstufigen Brückenschaltungen wird nachfolgend anhand der Fig. 6 (mit m=4) die Wirkungsweise der löschbaren dreistufigen Brückenschaltung eingehend erläutert:

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Ausgangspunkt ist der Freilauf df s Stromes I. zu Beginn der Halbperiode. Der Freilauf wird gebildet durch den Zweig mit den Halbleitern η , η.. .., η... Bei Erreichen des Zeitpunktes tot - as wird der Thyristor n, gezündet (Fig. 19). Der Strom I, kommutiert auf die erste Netzstufe mit der Spannung U₁. Der Thyristor n^ wird gezündet, sobald der Zeitpunkt i^t - as erreicht wird. Der Strom I, kommutiert vom Thyristor n. auf den Thyristor n^ und die nächste Spannungsstufψ«. Die Gleichrichterspannung U, wird nun gebildet aus der algebraischen Summe der beiden Spannungsstufen

u_d = U_{1 +} U₂.

Die letzte Spannungsstufe U, wird zugeschaltet im Zeitpunkt ujt = ü£ . Der Thyristor n_Q wird gezündet und damit kommutiert

der Strom I. vom Ventil n_c auf Ventil n_Q - d.h. der Strom I, άσο α

fließt über n_Q-Iu_T-U._T.-L._T-n. .-n.. Die Gleichrichterspannung ο vi Ni N 1.1 1

U, kann nun die größten Werte annehmen, da sie aus

u_d - U₁ ♦ U₂

gebildet wird.

Sobald Mt r*■ v/ ist, beginnt die dreistufige Abschaltung des Netzstromes mit Hilfe der Zwangskommutierung. Sie beginnt mit dem Löschen des Thyristors n₁ im ersten Brückenzweig durch Zünden des Thyristors n, im zweiten Brückenzweig zum Zeitpunkt cot- οέ Der Kondensator C₁ wird zunächst linear umgeladen, und sobald die Diode n, ₁ leitend wird, durch die gespeicherte magnetische Energie in der StreuinduktivitätfLjT

überladen,d.h. der Strom I, fließt über ηρ-Κγ-υ,.^-υ,,,,-η- .-η. ' d 8 ri N5 «<ί 3.1 :

Die Gleichrichterspannung U, wird nun durch die beiden Spannungsstufen U_d = U₂ + U gebildet.

Im Zeitpunkt a;Z¹= a?^ wird der Strom I, von der zweiten Spannungsstufe abgeschaltet, d.h. ⁿ8~-Si~^UN3~'Si~ⁿ5 1~ⁿ5" Die letzte Spannungsstufe wird im Zeitpunkt to ί = οέ^ abgeschaltet.
* der Strom I, fließt nun ÜPer

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Der Strom L fließt nun wieder im Freilauf durch den Zweig d

mit den Halbleiterventilen n_Q-nr, ι~^ητ

In Fig. 19 sind die zeitlichen Verläufe der Gleichrichterausgangsspannung U, und des Stromes I_n auf der Primärseite des Stromrichtertransformators dargestellt. Der Strom I ergibt sich unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse. Mit der primären Windungszahl W₁ und

Wi

den sekundären Windungszahlen W₂₁ = W₂₂ = W₂- = -4 = w₂ergibt sich für die verschiedenen Spannungsstufen der Primärstrom !„„/i.

Stufen	3	2	1
m-1 W1	1	2	3
XX " r\
1NI	1	2	•1
id	3	3	I

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 9 wird nachfolgend ebenfalls eingehend erläutert.

Zunächst wird der Hilfskondensator C₂ innerhalb des folgenden Stromkreises aufgeladen:

Nach eingeleiteter Löschung durch die Zündung von n, wird n, dann leitend, wenn iU_p1i = IUVJ geworden ist. Bei dem anschließenden Kommutierungsvorgang kommt es zur Überladung des Kondensators C₁ um die Spannung all im Stromkreis n.-U_N-L_M-n_{1 1}-C₁~n . Wenn die Spannung U_P1 größer als \J_no wird, schalten die Dioden n_{1 o} und η, _κ erneut durch unä legen den Kondensator C₂ parallel zu C₁.

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Dadurch wird die weitere Überladung des Kondensators C₁ verlangsamt. Ein früheres Eingreifen des Kondensators C₂ könnte dadurch erreicht werden, daß er an eine Transformatoranzapfung U_n < U„ angeschlossen wird. Am Ende der Kommutierung ist der Laststrom von der Diode η. _Λ auf die Diode η, ₁ korn-

I . I j « I

mutiert. Der Strom I_d fließt über n,-n„ ι~^η·ζ· Zur Entladung des Kondensators C₂ werden die Thyristoren n₂ ^ und n₂ g gezündet. Wenn der Kondensator Cp entladen ist, müssen die Thyristoren n. und n, erneut gezündet werden, damit der Laststrom wieder in den Freilauf kommutiert. Auf die erneute Zündung des Thyristors n. kann verzichtet werden, wenn, wie in Fig. 10 dargestellt, antiparallel zu den Dioden n, ,- und n_ _Ä Thyristoren n, ,, und n, . angeordnet werden.

j *j 5 » O j » j j. *r

Zur Entladung des Kondensators Cp werden dann die Thyristoren n_o e und n, . gezündet.

<- · J J . ¹T

Nach beendigter Entladung des Kondensators C« muß der Thyristor n^ nachgezündet werden, damit sich der Freilauf wieder einstellt (n.-n_ -j-n,).

Auf das Nachzünden des Thyristors n_ kann verzichtet werden, wenn auch in der oberen Brückenhälfte zwei Thyristoren n₂ ρ und n_o »eingesetzt werden (Fig. 11). Durch ihrejiEinftigung

C- * J

verändert sich aber die Betriebsweise der Schaltung. Deshalb werden die einzelnen Vorgänge noch einmal ausführlich beschrieben:

Durch die definierte Zündung des Thyristors η wird der Kondensator C₂ auf eine Spannung U_C2 ^ U_n aufgeladen (Stromkreis -n_/^-U_N-L_N-n_{1 2}~C₂-n^).

Ausgehend von dem normalen Betriebszustand (die Thyristoren n₁ und n. führen der Strom (n.-U-j-I^-n. A~ⁿ-\) wird zur Einleitung der Löschung der Thyristor n_ gezündet ⁽ V

Durch die Zündung des Thyristors n_{2 2} treibt der Kondensator C

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einen Strom über das Netz, der den Netzstrom verringert und damit die Diode n₁ - zum Verlöschen bringt (Stromkreis

Nach beendeter Netzkommutierung ist der Laststrom also auf die Kondensatoren C„ und C₁ kommutiert. Da C₂» C₁ ist, wird durch den Strom I, C₁ jetzt schnell umgeladen, bis an n~ ₁ positive Spannung liegt. Der Thyristor n. muß dann nachgezündet werden, und der Strom kommutiert in den Freilauf (n.-n_ -J-H₅).

Wenn der Kondensator C₂ groß genug ist, hat er sich während des Umladevorganges von C₁ nicht wesentlich entladen, d.h. der Kondensator C₁ wird annähernd immer auf eine konstante Spannung aufgeladen. Die Abhängigkeit^einer Spannung vom Löschzeitpunkt und damit vom Augenblickswert der Netzspannung ist nicht mehr vorhanden.

Durch das Einfügen der Freilaufdiode n, ₂ (Fig. 12) braucht der Thyristor n. nicht nachgezündet zu werden. Der Strom I, fließt dann in den letzten Phasen zunächst über -Cp-*¹? 2"^C1" n,- und dann im Freilauf -n. „.

Die Schaltung ist dann aber im Gegensatz zu der anderen nur für den Einquadrantenbetrieb geeignet.

1. Stufe: - n, - L« _{TT T M}

4 "N - U_N1 - L_n- H_{1 e1} - 1I₁ -

2. Stufe: - n₆ -

Die Löschung des Thyristors n₁ erfolgt wieder, wie beschrieben durch die Zündung von n^ (a), und durch die Zündung von n₂ wird die Abkommutierung vom Netz eingeleitet (b):

(a) -H₆-L_n- U_n2 - U_N1 - L_n - n_1#1 -C₁-Xi₅-

(b) - C₂ - n_2#2 -C₁-Ii₅-

Nach beendeter Abkommutierung vom Netz lödt der Laststrom den Kondensator C₁ um (siehe vorstehend (b)) bis Durchlaßspannung an nc ₁ und n,- liegt.

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(c) -n₆ - η - η - (Freilauf)

Der Thyristor η., muß für (c) nachgezündet werden.

Die Arbeitsweise der mehrstufigen Brückenschaltung wird anhand der Schaltungsanordnung nach Fig. 15 unter Berücksichigung des Hilfskondensators C„ beschrieben. Der Strom I,

2 d

fließt zunächst im Freilauf durch die Ventile n₀, η. _Λ und n₁. Unter der Voraussetzung, die eingetragenen Netzspannungspfeile kennzeichnen die positive Halbschwingung, kommutiert der Strom auf der Prim$rseite des Transformators in zwei Stufenauf, in/üern zunächst der Thyristor η. (1. Stufe (a)) und dann der Thyristor ng (2. Stufe (b)) gezündet wird. Die vorher leitenden Thyristoren verlöschen durch eine normale Netzkommutierung.Die Aufladung (c) dee Stützkondensators Cp beginnt mit der Zündung des Thyristors n.und ist abgeschlossen, wenn nach der Zündung von Thyristor n,., die Kondensatorspannung U_C2 ^ U_N1 + U_N2, d.h. der Ladestrom zu Null/geworden ist. Die erwähnten Stromkreise:

U) - n₄ - L_n - U_N1 - L_n - n_1#1 -H₁-

(D) -H₆-L_n- U_n2 - ü_N1 - L_n - n_1#1 -H₁-

(c) während (a) (b): ~ ^c ₂ " ⁿ ₄ " ^ln " ^UN1 " ¹N " ⁿ1.2 "

Im Zeitdiagramm Fig. 17 ist -er Verlauf des primären Netzstromes I_n und der Zwischenkreisspannung U, bis zu dem betrachteten Zeitaugenblick durch dickere Strichführung gekennzeichnet.

Die Abkommutierung des Stromes I_n erfolgt ebenfalls in zwei Stufen. Durch Zünden der Thyristoren n_ und η wird der Kommutierungsvorgang eingeleitet. Der Thyristor n- verlöscht augenblicklich und der Strom I, wird vom Thyrietor n, übernommen .

(Stromkreis: - n_ß - L_n - U_N2 - U_{n 1} - L_n - n^., - C₁ - Ti₃ - )

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Der Strom vom Netz kommutiert auf den Stützkondensator C₉ in endlicher Zeit

(Stromkreis: - C₉ - n^ - L_n- U_MO - U\_T. - L_n - n_{1 1} - n₉ „ -).

Der Strom I, fließt solange über C₂, bis die Spannung ^U _C1=U_C2 geworden ist

(Stromkreis: -C₂ - n_{2 2} - C - n,- ). Die Diode n, ₁ wird in diesem Moment leitend.

Mit Hilfe der Nachzündung des Thyristors n_ß kommutiert der Strom I, vom Kondensator C₀ auf die Diode n, _o und die Spannungsquellen U_N2

(Stromkreis: - n,- - L_n - U_N2 - L_n - n_ ^ - n„ - ). Auf die Darstellung der Abkommutierung des Stromes I_n in der zweiten Stufe kann verzichtet werden. Der Kommutierungsvorgang ist abgeschlossen, sobald der Strom im Freilauf durch die Ventile rir» n,- ₁ und n,- fließt.

Der Kondensator C₂ kann am Ende der Halbschwingung durch Zünden des Thyristors n₂ . in den Gleichstromzwischenkreis entladen werden

(Stromkreis: - C₂ - n₂ . - n,- - ).

Sobid der Kondensator C₂ entladen ist, wird der Thyristor n,-nachgezündet„( ng - Xi₁- ₁ - n,- - ).

Im Zeitdiagramm (Fig. 17) ist der Verlauf des primären Netzstromes I_n und der Zwischenkreisspannung U, während der Zwangskommutierung durch Strichpunktierung gekennzeichnet.

Auf die Beschreibung der Wirkungsweise der Fig. 18 kann verzichtet werden _t weil die Auf- und Abkommutierung in analoger Weise wie anhand von Fig. 9 vorbeschrieben erfolgt. Die Entladung der Hilfskondensatoren Cg, C_Q, C _Q erfolgt zweimal während einer Periode.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Ein- oder mehrfach folgegesteuerte Brückenschaltung, die gleichstromseitig ,je Gleichstrompol eine gleiche Anzahl von Zweigen mit Halbleiterventilen aufweist und die wechselstromseitig an mindestens eine Wechselspannungs quelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens m Dioden (n1.1_fn3.1,n5.1,...) auf den (m-1) Wechselspannungsquellen (U_N,U_N1 ,Ujrp,...) zugeordneten Seiten mit den mit einem der Gleichstrompole verbundenen m-Thyristoren (n1,n3,n5,...) in Reihe geschaltet sind und daß die gemeinsamen Elektroden der m-Thyristoren und m Dioden über Kommutierungskondensatoren (C1,C2,...) miteinander verbunden sind, wobei m-2 ist.

   2. Mehrfach-folgegesteuerte Brückenschaltung, die gleichstromseitig je Gleichstrompol parallel Zweige mit Halbleiterventilen aufweist und die wechselstromseitig an mehrere Wechselspannungsquellen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß Je Gleichstrompol eine unterschiedliche Anzahl von Zweigen vorgesehen 1st, derart, daß eine einstufige, löschbare Mittelpunktschaltung und eine mehrstufige Mittelpunktschaltung hintereinandergeschaltet sind, wobei den beiden dem einen Gleichstrompol zugeordneten Thyristoren (n1,n(2m-1) in beiden Zweige der einstufigen Mittelpunktschaltung Dioden (n1.1,n(2m-1).1) in Reihe geschaltet sind und die gemeinsamen Elektroden des einen Thyristors (n1) und der einen Diode (n1.1) über einen Kommutierungskondensator (C4) mit den gemeinsamen Elektroder des anderen Thyristors (n(2m-1) und der Diode (n(2m~1).1) verbunden sind und wobei dem anderen Gleichstrompol in vier parallelen Zweigen liegende Thyristoren (n2,n4_fn6,n(2m] zugeordnet sind (Fig.5, mit m=4).

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   Mehrfach-folgegesteuerte Brückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Diode (n1.1_tn3.1, ...,n(2m-1).1) auf der (m-1) Wechselstromquellen (^UMi»U_Np»

   U_XT~,... ,U-_T/ „ ν ) zugewandten Seite einem der m-Thyristors j W^m-ι;

   ren (n1,n3,...,n(2m-1) ), die einen Gleichstrompol bilden, , in Reihe geschaltet ist, und die gemeinsamen Elektroden der , m-Thyristoren und m-Dioden über (m-1) Kommutierungskonden- j satoren (C1,C2,C5,...,Cn(2m-1) ) unter Verbindung der je- \ weils benachbarten Zweige miteinander verbunden sind (Fig.6).

   Mehrfach-folgegesteuerte Brückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Diode (n1.1, n(2m-1).1) auf der (m-1) Wechselstromquellen (U_N1,U_N2»..., Ujj/ -j \) zugewandten Seite dem zu dem einen Gleichstrompol gehörenden Thyristor (n1,n(2m-1) ) des ersten und des m-ten Zweiges in Reihe geschaltet und daß den anderen zu dem Gleichstrompol gehörenden Thyristoren (n3,n5,...,n(2m-2) ) zwei Dioden (n3.1,n3.2; n5.1,n5.2,...) in Reihe geschaltet sind und daß die gemeinsamen Elektroden des Thyristors und der Diode des ersten Zweiges sowie die gemeinsamen Elektroden des Thyristors und der Diode des m-ten Zweiges jeweils über Kommutierungskondensatoren (C1 bzw. C(2m-1) ) mit den gemeinsamen Elektroden von Thyristor und Diode des benachbarten Zweiges und die gemeinsamen Elektroden der Dioden der benachbarten Zweige und der anderen Zweige über weitere Kommutierungskondensatoren (C3,C5,...) miteinander verbunden sind (Fig. 7).

   Brückenschaltung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfskondensator (C2) vorgesehen ist, der mit seiner einen Elektrode am anderen Gleichstrompol und an den diesem zugeordneten Halbleiterventilen (n2,n4,n6,...) liegt, mit seiner anderen Elektrode einmal über Ladedioden (n1.2,n1.3,...) mit mindestens einer der (m-1) Wechsel-

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   Spannungsquellen (U_n, U_n1, U_n2,...) verbunden ist und zum anderen über Thyristoren (n2.2, n2.3, n2.4,...) an mindestens einen der Kommutierungskondensatoren ( Cl, C3,...) oder direkt an den einen Gleichstrompol angeschlossen ist (Fig. 10, 11, 12).

   6. Brückenschaltung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskondensator (C2) mit seiner einen Elektrode über eine Ladediode (n3.7) an den anderen Gleichstrompol sowie über mindestens ein Halbleiterventil (n3.8, n3.9) mittelbar an eine der (m-1) Wechselspannungsquellen

   (IL₇, U._Tl , U„_ , ...) und mit seiner anderen Elektrode einmal N Ni N2

   über Ladedioden (nl.2, nl.3) mit der Wechselspannungsquelle ( U bzw. U ₂) verbunden ist und zum anderen über Thyristoren (n2.2, n2.3, n2.4,...) an mindestens einen Kommutierungskondensator (Cl) angeschlossen ist (Fig. 13).

   7. Brückenschaltung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskondensator (C2) mit seiner einen Elektrode jeweils über einen Thyristor (n3.3, n3.4) mit antiparalleler Ladediode (n 1.6, n3.5) mit jeweils einem Pol einer der (m-1) Wechselspannungsquellen ( U_n, Uw U.,^'···) ^und mit seiner anderen Elektrode einmal über Ladedioden (nl.2, nl.3) mit der Wechselspannungsquelle (U bzw. U_N2) verbunden ist und zum anderen über Thyristoren (n2.2, n2.3,...) an die (m-1) Kommutierungskondensatoren (Cl, C3,...) angeschlossen ist (Fig. 14).

   8. Brückenschaltung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gleichstrompolen eine Freilaufdiode (n4.2) liegt (Fig. 12).

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   9. Brückenschaltung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Hilfskondensatoren (C6,C8,C1o) über Ladedioden (n9.1 bis n12.2) an die Netzspannungen

   (^UN1'^UN2'^UN3^ ^{und über Hilfstn}y^ristoren (n2.4,n2.5) an die Gleichstrompole angeschlossen sind (Fig. 18).

   10. Mehrfach-folgegesteuerte Brückenschaltung, die gleichstromseitig je Gleichstrompol parallele Zweige mit Halbleiterventilen aufweist und die wechselstromseitig an mehrere Wechselspannungsquellen angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß je Gleichstrompol eine unterschiedliche Anzahl von Zweigen vorgesehen ist, derart, daß eine einstufige und eine löschbare mehrstufige Mittelpunktschaltung hintereinandergeschaltet sind, wobei den dem einen Gleichstrompol zugeordneten Thyristoren (n1_fn3,n5,...n(2m-1) ) in den Zweigen der mehrstufigen Mittelpunktschaltung Dioden (n1.1,n3.1,...,n(2m-1).1) in Reihe geschaltet sind und die gemeinsamen Elektroden von Thyristoren und Dioden benachbarter Zweige der mehrstufigen Mittelpunktschaltung über (m-1) Kommutierungskondensatoren (C1,C3,...,C(2m-1) ) verbunden sind und wobei dem anderen Gleichstrompol in zwei parallelen Zweigen liegenden Thyristoren (n2,n(2m) ) zugeordnet sind (Fig.8, mit m=4).

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