DE2710980A1

DE2710980A1 - Vorrichtung zum stellen von gleichstrom

Info

Publication number: DE2710980A1
Application number: DE19772710980
Authority: DE
Inventors: Bernard Hennevin
Original assignee: Societe de Traction CEM Oerlikon
Current assignee: Societe de Traction CEM Oerlikon
Priority date: 1976-03-26
Filing date: 1977-03-14
Publication date: 1977-10-06
Also published as: DE2710980B2; DE2710980C3; GB1569473A; FR2345760B1; FR2345760A1; BE852888A; IT1084660B; CH598655A5

Description

L-CEM 1460 DT Ka/Kn.

10.3.77

Societe de Traction CEM-OERLIKON, Paris

Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom, und insbesondere auf eine zufriedenstellend funktionierende Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom, welche trotz der in einem sehr grossen Bereich stattfindenden Aenderungen der Speisegleichspannung lediglich schwache und äusserst konstante Verluste aufweist.

Die bekannten Vorrichtungen zum Stellen von Gleichstrom werden im allgemeinen dazu benötigt, um die an einen Lastkreis gelegte Gleichspannung verändern zu können. Die Speisegleichspannung dieser Gleichstromsteller ist im allgemeinen konstant oder ändert sich nur innerhalb von Grenzen, deren Verhältnis zueinander im allgemeinen zwei nicht übersteigt .

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L-CEM 1460 Dt

Für bestimmte Zwecke, insbesondere bei geregelter Einspeisung, ist es notwendig, einen Gleichstromsteller zu verwenden, der eine konstante, einem Lastkreis zugeführte Spannung liefern soll. Die Gleichspannung dieser für diesen Zweck benötigten Gleichstromsteller kann innerhalb von Grenzen variieren, deren Verhältnis zueinander beträchtlich sein kann. Ein Wert von sechs für dieses Verhältnis wird häufig angetroffen.

Eine bekannte Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom ist als Beispiel in Fig.l angegeben. Ein solcher Gleichstromsteller, dessen Wirkungsweise später erläutert werden wird, kann zur Speisung eines Lastkreises 1 mit einer konstanten Gleichspannung verwendet werden, wobei die Speisespannung des Gleichstromstellers innerhalb grosser Bereiche, etwa zwischen 1 und 6, variieren kann.

In einem solchen Gleichstromsteller ist das "Kommutiervermögen", d.h. der maximale Strom I, den der Löschkreis während einer Zeitspanne t in ausreichendem Masse abgeben kann, so dass der Thyristor Th 1 wieder sein Sperrvermögen bekommt, in vereinfachter Form proportional der im Kondensator C, gespeicherten Ladung Q = C,V-. Nun ist die Spannung, bei der sich der Kondensator C, über den Kreis L., D₁, L, und den Lastkreis auflädt, gleich der Speisegleichspannung. Es ist daher verständlich, dass in einem solchen

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Gleichstromsteller der maximale Strom I , welcher an den Lastkreis abgegeben werden kann, proportional der Speisegleichspannung des Stellers ist. Nun nimmt der Lastkreis im allgemeinen einen Strom auf, welcher vollkommen unabhängig von der Speisegleichspannung des Stellers ist. Es ist daher notwendig, die Elemente C-,, L,, Th₂, D,, D₂ des Löschkreises so zu dimensionieren, dass sie bei minimaler Speisespannung

U₁₇ die Kommutation des maximalen Stroms I mit Sicherheit ε. max

durchführen können.

Ausser dem Volumen, der Masse und dem bedeutenden Preis eines Kondensators mit hohen Werten ist das nachfolgend Aufgeführte ein hauptsächlicher Nachteil: die im Kondensator C,, welcher ausreichend bemessen sein muss, um die Kommutation des maximalen Stromes I dann zu bewirken, wenn der Steller mit max

einer minimalen Gleichspannung U_E gespeist wird, gespeicherte

Energie V2 C, U„ wächst schnell, wenn sich die Speisegleichspannung Ug erhöht. Hieraus ergibt sich, dass für die höchsten Speisegleichspannungswerte U_E der Umlauf von Strömen mit grosser Amplitude in den Loschkreiselementen C,, L₁, Th₂, D,, Dp zu beträchtlichen Verlusten führt und notwendigerweise die Dimensionierungen und die Kapazität durch eine Vergrösserung des Volumens, der Masse und des Preises dieser Elemente zunehmen müssen, um die Ströme mit grosser Amplitude aufnehmen zu können.

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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Vorrichtungen, d.h. die Ueberdimensionierung der im Kreis vorgesehenen Elemente, zu vermeiden, indem eine Anordnung der Elemente des Stellers vorgeschlagen wird, bei der das Laden des Löschkondensators bei einer Spannung bewirkt wird, deren Wert unabhängig von der Speisegleichspannung des Stellers und dem Wert der maximalen Speisespannung benachbart ist. Polglich wird das'Löschvermögen 'des Stellers unabhängig von seiner Speisegleichspannung. Auf diese Weise kann ein viel schwächerer Löschkondensator gewählt werden und die anderen Elemente des Löschkreises können so dimensioniert werden, dass sie nur sehr schwache Ströme aushalten.

Die vorstehende Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom gelöst, die mit einem zwischen einer Anschlussklemme im Speisekreis und einem Lastkreis gelegten Hauptthyristor und einem parallel dazu gelegten Löschkreis mit einer Diode, einem Kondensator und einer Spule in Serie, einem zweiten zum Kondensator und der Spule parallel geschalteten Thyristor sowie einer parallel zum Lastkreis geschalteten Freilaufdiode versehen und dadurch gekennzeichnet ist, dass ausserdem ein dritter Thyristor vorgesehen ist, welcher zwischen die andere Anschlussklemme des Lastkreises und den dem Kondensator und der Spule gemeinsamen Punkt gelegt ist.

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Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist eine zweite Spule zwischen der Anschlussklemme des Lastkreises und dem Hauptthyristor vorgesehen.

Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung ist ein Widerstand in Serie zu dem besagten dritten Thyristor geschaltet.

Weitere Ausführungen werden sich aus der folgenden Beschreibung ergeben, die unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung erstellt wurde. Hierbei zeigt:

Fig.l ein vereinfachtes Schaltschema eines bekannten Stromstellers,

Fig.2 ein vereinfachtes Sehaltschema eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Stromstellers,

Fig.3 ein Diagramm, in dem Ströme und Spannungen verschiedener Punkte des Kreises gemäss Fig.2 in Funktion der Zeit dargestellt sind,

Fig.4 ein vereinfachtes Schaltschema eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Stromstellers,

Fig.5 ein vereinfachtes Schaltschema einer abgewandelten Ausführungsform des Stromkreises des dritten Thyristors des erfindungsgemässen Stromstellers,

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Fig.6 ein vereinfachtes Schaltschema einer weiteren abgewandelten Ausführungsform des Stromkreises des dritten Thyristors des erfindungsgemässen Stromstellers, und

Fig.7 ein symbolisches Schaltschema des Stromkreises zum

Auslösen des dritten Thyristors des erfindungsgemässen Stromstellers.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Stromstellers kann anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert werden.

Fig.3 zeigt die Entwicklung von Strömen in bestimmten Elementen und Spannungen an den Anschlussklemmen bestimmter Schaltungselemente in Funktion der Zeit und ebenfalls die Einsatzzeitpunkte der Thyristoren.

Die Schaltung ist aus einem Thyristor Th₁ aufgebaut, weleher Hauptthyristor genannt wird, da er den durch den Lastkreis 1 aufgenommenen Strom führen muss. Die Löschstromkreise sind aus dem Schwingkreis aufgebaut, welcher durch Serienschaltung der Spule L, und des Kondensators C, gebildet wurde. Der Schwingkreis kann über sich selber wieder eingeschaltet werden, entweder durch Zwischenschaltung des Thyristors Th_, um den Umkehr"stromkreis zu bilden, oder durch die Dioden D, und Dp, um die Rückleitung zu bilden.

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Die Induktanz Lp, welche im Speisekreis oberhalb des Thyristors Th gelegen ist, ist dazu bestimmt, die Anstiegsgeschwindigkeit zu begrenzen, und zwar entweder des Einsatzstromes Ip des Thyristors Th. oder des Einsatzstromes des Thyristors Th,.

Der aus dem Thyristor Th, aufgebaute Stromkreis ist dazu bestimmt, das Laden des Löschkor.densators C, zu steuern.

Die Induktanz L, ist beispielsweise dargestellt; sie ist häufig in den Laststromkreis integriert (etwa bei einem Motor)

Die Wirkungsweise der Schaltung ist wie folgt:

Angenommen ist, dass die Thyristoren Th-, Th_? und Th, zum Zeitpunkt t, gesperrt sind, so dass der Strom I, durch den Laststromkreis 1 und die Diode D, läuft, wobei die besagte Freilaufdiode mit der Induktanz L, verknüpft ist; gleichermassen ist angenommen, dass sich der Kondensator C, durch die Speisegleichspannung U_E über die Elemente L₂, D,, L,, L-, aufgeladen hat.

Im Zeitpunkt t, wird der Thyristor Th, gezündet. Durch den Thyristor Th, fliesst dann ein Strom Ip, welcher im Zeitpunkt t₂ gleich dem Strom I₁ wird. Ab dem Zeitpunkt t₂ hört die Diode D, auf zu leiten. Zwischen den Zeitpunkten t2 und t(- wird dann die Speisespannung U_E durch den Thyristor Th, hindurch an die Anschlussklemmen der Diode D, gelegt.

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Wenn der den Thyristor Th, durchfliessende Strom Ip unterbrochen werden soll, wird der Thyristor Th₂ im Zeitpunkt t, gezündet. Der aus dem Kondensator C, und der Induktanz L₁ aufgebaute Schwingkreis wird durch sich selbst längs des Thyristors Th- geschlossen und der Strom 1^, welcher in diesem Kreis fliesst, bewirkt zwischen den Zeitpunkten t., und tjj eine Schwingung von einer halben Periode. Zum Zeitpunkt th hat dann der Kondensator C, die Polarität seiner Ladung geändert. Der Strom I₁^ neigt dann dazu, sich umzukehren, was sodann das Sperren des Thyristors Th_? zur Folge hat.

Ab dem Zeitpunkt th fliesst der Strom I₁., der seine Polarität gewechselt hat, durch die Induktanz Lp, die Diode D,, den Kondensator C,, die Induktanz L, und die Induktanz L, und ersetzt fortlaufend den durch den Thyristor Th, fliessenden Strom Ip. Ab dem Zeitpunkt t_ übertrifft der Strom L den Strom I, und der Thyristor Th-, hört auf zu leiten. Der Differenzstrom (I^-I,) fliesst nun durch die Diode Dp und die Diode D, zum anderen Ende des aus dem Kondensator C, und der Induktanz L, bestehenden Schwingkreises.

Die so angeregte Schwingung setzt sich fort und der Kondensator C, bekommt nachfolgend wieder eine Ladung, deren Polarität derjenigen entspricht, die zum Zeitpunkt t, vorhanden war.

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- β - 1,-CEM li»60 DT

Ab dem Zeitpunkt tg beginnt der absolute Wert des Stromes I₁. abzunehmen. Ab dem Zeitpunkt t„ wird der Strom I₁₄ gleich dem Strom I,, so dass der Differenzstrom (I₁. - I,) verschwindet und die Diode D„ sperrt.

Die an den Klemmen des Kondensators C, liegende Spannung V, ist nun ein wenig geringer als U , da nun die Schwingung des aus dem Kondensator C, und der Induktanz L, bestehenden Kreises noch nicht abgeschlossen ist. Der Kondensator C-, vervollständigt seine Ladung bis auf den Wert U_ (lineares Wachsen) zwischen den Zeitpunkten t₇ und tn durch den konstanten Strom I,.

Ab dem Zeitpunkt tg hat der Strom I₁., welcher konstant geblieben und zwischen den Zeitpunkten t_? und to gleich dem Strom I₁. war, die Neigung zu wachsen. Da der Strom I, konstant bleiben muss, passiert der Differenzstrom (I, - I₁₁) = I/- nun die leitend gewordene Diode D-,. Es ist nun in Betracht zu ziehen, dass der aus dem Kondensator C,, der Induktanz L,, der Diode D, und der Induktanz Lp bestehende Schwingkreis über die Diode D, und die Speisequelle geschlossen ist.

Eine Schwingung des Stromes I₁, läuft daher durch diesen

ρ Kreis und hat demzufolge die Energie W = Y2 (L,+Lp)I , welche zum Zeitpunkt tg in den Induktanzen L, und Lp vorliegt, in den Kondensator C-, in Form einer Ueberspannung AV.

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2 zu übertragen, so dass W = )'2 C, J₁V, wird. Im Zeitpunkt t,-, wird der Kondensator daher mit einer Ladung versehen sein, deren Spannung V-. sich wie folgt ergibt:

+ L

^Vl = ^UE

Wird andererseits in vereinfachter Form das "Kommutationsvermögen" des Stellers, d.h. der maximale Strom I.., den der Löschkreis zu löschen vermag, durch

i_M = k . C₁ . V₁ / t_o

ausgedrückt, wobei t die vom Thyristor Th, benötigte Zeit zur Wiederkehr des Sperrvermögens und k ein Dimensionierungsparameter, der vor allem Sicherheitsmargen umfasst, sind, so kann geschrieben werden:

i_M = k . C₁ . (u_{E +} ..V₁) / t_o

Gemäss der Erfindung wird das Kommutierungsvermögen unabhängig von der Speisegleichspannung zurückkehren, wenn (Up + V-, ) konstant gehalten wird, sobald die Speisegleichspannung Ug sich ändert. Dies ist dem Thyristor Th, zu verdanken.

Es wird angenommen, dass der durch die Induktanz L, fliessende Strom I, sich im allgemeinen nur langsam im Vergleich

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zu der Zeit ändert, die swei aufeinanderfolgende leitende Phasen des Thyristors Th₁ voneinander trennt.

Wenn der Strom I, wächst, wächst die Ueberspannung _', V des Kondensators C, proportional zu I-, . Die maximale Spannung V,, die an den Klemmen des Kondensators C, auftritt, wächst daher entsprechend.

Wenn V, bei maximalem Wert die erwünschte Spannung erreicht, welche im allgemeinen gleich einem Wert in der Nähe der maximalen Spannung, die die Speisegleichspannung U_£ erreichen kann, gewählt wird, wird der Thyristor Th, leitend. Dies ereignet sich zum Zeitpunkt t«.

Der Strom I₁., welcher noch in dem aus Induktanz Lp, Diode D,, Kondensator C,, Induktanz L,, Induktanz L,, Last Stromkreis und Speisequelle gebildeten Kreis zirkulierte, ist nun abgeleitet und zirkuliert in dem aus Induktanz L,, Induktanz L,, Laststromkreis und Thyristor Th-, gebildeten Kreis.

Die Anstiegsgeschwindigkeit des Stromes Ic, der seit der Zündung den Thyristor Th, durchfliesst, ist gleich der Wachstumsgeschwindigkeit des Stromes K, welcher die Induktanz L₃ durchfliesst. Im Zeitpunkt t ist der die Induktanz Lp durchfliessende Strom I₁. verschwunden und der Strom I^ erreicht seinen maximalen Wert. Sobald der Strom I₁. verschwu den ist, stellt der Kondensator die Aufladung ein und die

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Spannung V₁ an seinen Klemmen hält sich auf dem im Zeitpunkt t_in erreichten VJert, da die Diode D, den Durchgang eines vom Kondensator C herrührenden Entladestromes zur Speisequelle hin unterbindet, was für die Wirkungsweise der Vorrichtung von Vorteil ist. Zwischen den Zeitpunkten tg und t,„ tritt die in der Induktanz Lp gespeicherte Energie unter Bildung einer kleinen aber ungefährlichen Ueberspannung in den Kondensator C, .

Die überschüssige Energie, die zum Zeitpunkt t,_Q noch in der

2 Induktanz L, gespeichert war und gleich V2 L, . 1^ ist, erhält sich dank der Zirkulation des Stromes I_c zwischen den Zeitpunkten t _ und t' , wobei I, = I₁- + Ir vorliegt, in dem aus der Induktanz L,, der Induktanz L,, dem Lastkreis und dem Thyristor Th-. gebildeten Kreis.

Im folgenden Zyklus wird der Thyristor Th, im Zeitpunkt t¹ gezündet. Zwischen den Zeitpunkten t' und t' wächst der Strom Ip bis zur Grosse des durch die Diode D, fliessenden Stromes Ig an; zwischen den Zeitpunkten t¹ und t" beginnt der Strom dann bis zum Wert I, weiterzuwachsen. Im Zeitpunkt t"p verschwinden die Ströme I₁- und I^ und die über-

schüssige Energie Y2 L, I₁. ist nun vollkommen in den Lastkreis übertragen; sie ist zwischen den Zeitpunkten t-._Q und t· nur in der Induktanz L, gespeichert gewesen.

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Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung kann also der Kondensator C₁ auf eine von der Speisespannung U„ des Stellers unabhängige Spannung V, geladen und durch Verwendung eines veränderlichen Teils der in den Induktanzen L, und Lp gespeicherten Energie ein konstantes Kommutierungsvermögen erhalten werden. Die überschüssige Energie wird gespeichert und dann dem Lastkreis zugeführt, was einen ausgezeichneten Wirkungsgrad hervorruft.

Wenn der Strom I, zu schwach ist, um über die Energie

V2 (L, + L_) I im Kondensator eine Ueberspannung JV, zu bewirken, so dass (U_E + : V.) einen in der Nähe der Speisegleichspannung gelegenen Wert erreicht, wird der Thyristor Th, nicht gezündet. Eine derartige Situation ist jedoch nicht nachteilig, da, obwohl der Kondensator C nicht auf die maximale Spannung aufgeladen ist, der zu kommutierende Strom schwach und das Löschvermögen des Thyristors Th, ausreichend ist.

Um die Spannung V, an den Klemmen des Kondensators C. konstant zu halten, muss die Zündung des Thyristors Th, zwisehen den Zeitpunkten t„ und t., erfolgen. Dieser Zeitpunkt wird durch eine in der Fig.7 beispielsweise realisierte Vorrichtung festgelegt. Die Messung der Klemmenspannung des Kondensators C wird in einer Messvorrichtung 2 bewirkt. Das Messsignal wird in einen Komparator 3 ein-

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gegeben, welcher über seinen anderen Eingang eine in 4 erzeugte Referenzspannung erhält. Das Ausgangssignal des Komparators 3 wird in einen monostabilen Multivibrator 5 eingegeben, dessen Ausgangsimpuls in 6 verstärkt und an die Steuerelektrode des dadurch gesteuerten Thyristors Th, gelegt wird.

Wenn das Signal der Klemmenspannung des Kondensators C. gleich dem Wert der Referenzspannung wird, .kippt der Komparator um und regt den monostabilen Multivibrator an. Der durch den monostabilen Multivibrator erzeugte Impuls wird verstärkt und bewirkt die Zündung des Thyristors Th,.

Sobald daher die Klemmenspannung am Kondensator C, unter einem bestimmten, im allgemeinen in der Nähe der Speisegleichspannung- Up gewählten Wert bleibt, wird der Thyristör Th, nicht gezündet. Sobald die Spannung V, die erwünschte Spannung erreicht, wird der Thyristor Th, gezündet, wodurch auf diese Weise verhindert wird, dass die Spannung V-. die erwünschte Spannung übertrifft.

In Fig.4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung dargestellt, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Induktanz Lj. hinter dem Thyristor Th, vorgesehen ist.

In der Tat kann die in Fig.2 dargestellte Vorrichtung

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unter bestimmten Voraussetzungen bei grossen Werten der Induktanz L, Strom führen, was zu einer erheblichen Schwingungsdauer des aus der Induktanz L, und dem Kondensator C, bestehenden Schwingkreises führt. Eine erhebliche Schwingungsdauer ist zuweilen lästig, da hierdurch die minimale Stromführungsdauer des Stellers vergrössert wird und es nicht möglich ist, einen Steller mit einer ausreichend herabgesenkten Spannung zu erstellen.

Dieser Nachteil wird dadurch vermieden, dass eine Induktanz L- von üblicher Grosse, welche ausreicht, um in dem aus der Induktanz L, und dem Kondensator C, bestehenden Schwingkreis eine annehmbare Schwir.gungsdauer zu bewirken, und eine Induktanz L₁, verwendet werden, welche am Schwingkreis keinen Anteil hat, jedoch über die Energie W = V2 L₁. I, dazu beisteuert, indem sie diese Energie speichert, um dem Kondensator C, eine ausreichende Ueberspannung /J V-. zu geben.

Die Ausführungsform gemäss Fig.5 ist durch die Einfügung eines Widerstandes R in Serie mit dem Thyristor Th, gekennzeichnet, um auf diese Weise zum Beispiel die Löschung des Stromes im Zweig der Induktanz L₁, zu bewirken.

In der anderen Ausführungsform gemäss Fig.6 ist die Induktanz Lp in Reihe mit dem Thyristor Th, und dem Widerstand R. Diese Induktanz Lp ist von geringer Grosse, da sie über den Thyristor Th, nur einer schwachen Spannung ausgesetzt

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ist. Die Induktanz L₂ sorgt beim Zünden des Thyristors Th, für die Strombegrenzung. Diese Anordnung gestattet es, im Ausführungsbeispiel gemäss Fig.2 zwischen den Zeitpunkten tg und t die sich am Kondensator C, ausbildende kleine Ueberspannung zu eliminieren. Sie gestattet auch eine genauere Kontrolle der Klemmenspannung des Kondensators C,. Ausserdem bewirkt die Löschung des durch das Vorhandensein des Lastwiderstandes R gegebenen Stromes I₁-, dass die Induktanz L₁, die Strombegrenzung im Thyristor Th, bei der Zündung absichert.

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Claims

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Paten tansprüche

{ 1·/ Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom mit einem zwischen einer Anschlussklemme im Speisekreis und einen Lastkreis gelegten Hauptthyristor und einen parallel dazu gelegten Löschkreis mit einer Diode, einem Kondensator und einer Induktanz in Serie, einem zweiten zum Kondensator und der Induktanz parallel geschalteten Thyristor sowie einer parallel zum Lastkreis geschalteten Freilaufdiode, dadurch gekennzeichnet, dass ausserdem ein dritter Thyristor (Th,) vorgesehen ist, welcher zwischen die andere Anschlussklemme des Lastkreises (1) und den dem Kondensator (C,) und der Induktanz (L,) gemeinsamen Punkt gelegt ist.

2. Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Induktanz (L,) zwischen der besagten Anschlussklemme des Lastkreises (1) und dem Hauptthyristor (Th,) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere zwischen dem Hauptthyristor (Th-) und der Freilaufdiode (D,) parallel zum Lastkreis gelegte Induktanz (L₂.) vorgesehen ist.

**· Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zum besagten dritten

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Thyristor (Th,) ein Lastwiderstand (R) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung zum Stellen von Gleichstrom nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zum besagten dritten Thyristor (Th-.) und dem Lastwiderstand (R) eine zweite Spule (L2) vorgesehen ist.

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