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"Verfahren zum Betrieb eines selbstgeführten Stromrichters zum
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Wechsel- und/oder Gleichrichten und selbstgeführter Stromrichter zur
Durchführung dieses Verfahrens" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Betrieb eines selbstgeführten Stromrichters zum Wechsel- und/oder Gleichrichten
mit einer Glättungseinrichtung mit Glättungsdrossel, einer Kommutierngseinrichtung
und vorzugsweise in einer oder
zwei Drehstrombrückenschaltungen
liegenden steuerbaren Haupt-und Rückarbeitsventilen, wobei die Spannung zwischen
den Gleichstromklemmen des Stromrichters konstant gehalten wird.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen selbstgeführten Stromrichter
zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer an eine Gleichspannungsquelle oder
einen -zwischenkreis angeschlossenen Glättungseinrichtung mit einem Glättungskondensator
und einer Glättungsdrossel, mit einer Kommutierungseinrichtung, die steuerbare Kommutierungsventile,
mindestens einen Eommutierungskondensator Lad weitere Schaltelemente aufweist, und
man Wechselstromklemmen angeschlossenen steuerbaren Haupt- und Rückarbeitsventilen
, vorzugsweise in Drehstrombrückenschaltung, mit wenigstens einem gemeinsamen Anoden-und
einem Eathodenverbindungspunkt der zu der Hauptventile.
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Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen selbstgeführten Stromrichter
zur Durchführung des eingangs genannten Verfahrens mit einer an eine Gleichspannungsquelle
oder einen zwischen kreis angeschlossenen Glättungseinrichtung mit einem Glättungskondensator
und einer Glättungsdrossel, mit einer Eommutierungseinrichtung, die Kommutierungskondensatoren
und weitere Schaltelemente aufweist, und mit steuerbaren Hauptventilen, von denen
eine erste Gruppe über einen Anodenverbindungspunkt und eine zweite Gruppe über
einen Kathodenverbindungspunkt zusammengeschaltet ist und die jeweils kathoden-
bzw. anodenseitig
an Wechselstromklemmen angeschlossen sind.
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Die Erfindung kann Anwendung finden bei über Stromrichter gespeisten
Antrieben, z.B. einem über einen Umrichter mit Zwischenkreis gespeisten Drehstrommotor-für
eine Drehstromlok mit Fahr- und Bremsbetrieb, also mit Energieaustausch zwischen
Verbraucher und Bahnnetz, bei in Industrieanlagen eingesetzten Stromrichtermotoren
u.a..
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Verfahren zum Betrieb von selbstkommutierten bzw. -geführten Stromrichtern
zum Wechsel- und/ der Gleichrichten der eingangs genannten Gattung sowie derartige
selbstgeführte Stromrichter sind bekannt (Heumann/Stumpe, "Thyristoren, Eigenschaften
und Anwendungen" 3. Auflage (197,4), B.G. Teubner Stuttgart). Sie können bezüglich
ihrer dynamischen Eigenschaften auf der Gleichstromseite in zwei Gruppen eingeteilt
werden. Die erste Gruppe benötigt an ihren Gleichstromklemmen einen Abschluß, der
sich dynamisch wie eine Spannungsquelle verhält. Die Gleichspannung bleibt dann
auch bei schnellen Änderungen und Umkehr der Flußrichtung des Gleichstromes nahezu
konstant. Stromrichter dieser Art werden im folgenden Gleichspannungs-Stromrichter
(U-Stromrichter) genannt. Mit Gleichstrom-Stromrichter (I-Stromrichter) sollen dagegen
solche Anordnungen bezQchnet werden, die an ihren Gleichstromklemmen einen Abschluß
benötigen, der sich dynamisch wie eine Stromquelle verhält. Der Gleichstrom bleibt
dann bei schnellen Änderungen und Polaritätswechsel der Gleichspannung dynamisch
konstant.
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Die U-Stromrichter haben folgenden Vorteil: Bei konstanter Spannung
an den Gleichstromklemmen kann die Amplitude der Spannung zwischen den Wechselstromklemmen
z.B.
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durch Pulsbreitensteuerung in einfacher Weise verstellt werden. Diesem
großen Vorteil stehen folgende Nachteile gegenüber: Wenn die zwischen den Wechselstromklemmen
angeschlossenen Lasten kleine Zeitkonstanten aufweisen, muß die Taktfrequenz der
Pulsbreitensteuerung entsprechend hoch gewählt werden, was mit Rücksicht auf die
Stromrichterventile und Kommutierungseinrichtungen unerwünscht ist. Ferner bereitet
der Schutz der Stromrichterventile bei Durchzündungen die zum Kurzschluß der Gleichspannung
führen, wegen des schnellen Anstiegs auf hohe Kurzschlußströme erhebliche Schwierigkeiten.
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Bei I-Stromrichtern treten diese Nachteile nicht auf, dafür erfordert
bei diesen Anordnungen in der Regel die Einspeisung der Gleichstromseite einen erheblich
größeren Aufwand als bei den Gleichspannungs-Stromrichtern. An eine Batterie können
z.B. U-Stromrichter oft direkt angeschlossen werden, während I-Stromrichter nur
mit Hilfe eines zusätzlichen Gleichstromstellers gespeist werden können. Bei Anschluß
an ein Drehstromnetz benötigen die U-Stromrichter zur Speisung der Gleichstromseite
nur ungesteuerte Netzstromrichter, während selbstkommutierte I-Stromrichter in der
Regel voll steuerbare Netzstromrichter erfordern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom eingangs genannten Verfahren,
die Vorteile des U- und des I-Stromrichters beim Betrieb einer Stromrichterschaltung
an derselben zu erhalten.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die aus
mehreren Wicklungen bestehende Glättungsdrossel für alle Kommutierungsphasen umgangen
bzw. ihre stromeinprägende Wirkung kompensiert wird, für die Laststromführung jedoch
stromeinprägend gemacht wird, daß die Amplituden der Spannungen zwischen den Wechselstromklemmen
durch Puls steuerung und Umschalten zwischen jeweils an gleicher Wechselstromphase
mit gleicher Polung angeschlossenem Haupt- und Rückarbeitsventil und die Frequenz
und Phasenlage dieser Spannungen durch jeweiliges Umschalten von einem Rückarbeitsventil
auf ein an einer anderen Phase mit gleicher Polung angeschlossenes Hauptventil in
weiten Grenzen geändert werden.
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Vorteilhaft kann mit diesen Maßnahmen bei konstanter Spannung zwischen
den Gleichstromklemmen des Stromrichters die Amplitude der Spannungen zwischen seinen
Wechselstromklemmen in weiten Grenzen geändert werden, wobei das übrige Verhalten
dem eines Gleichstrom-Stromrichters entspricht, d.h. die hinsichtlich der Taktfrequenz
eingangs beschriebene Problematik ist weitgehend behoben.
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Der Erfindung liegt, ausgehend von den eingangs genannten selbstgeführten
StromrichternXweiterhin die Aufgabe zugrunde, die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit einem geringen Ventilaufwand, insbesondere an steuerbaren Ventilen,
zu ermöglichen.
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Eine erste und auch bevorzugte Lösung dieser Aufgabe besteht, ausgehend
von dem eingangs erstgenannten Stromrichter, darin, daß erfindungsgemäß den steuerbaren
Hauptventilen die steuerbaren Rückarbeitsventile mit einem eigenen Anodenknoten
und/ oder Kathodenknoten zugeordnet sind, daß die Glättungsdrossel aus vier Wicklungen
besteht, von denen je eine in jeder Gleichstromleitung liegt, und zwar zwischen
dem positiven Gleichstrompol und dem Anodenverbindungspunkt bzw. zwischen dem negativen
Gleichstrompol und dem Kathodenverbindungspunkt und jeweils mit einer der anderen
beiden induktiv gekoppelt ist, daß der Anodenknoten über die Kommutierungseinrichtung
und eine der anderen beiden Wicklungen mit dem negativen Gleichstrompol und der
Kathodenknoten über die Kommutierungseinrichtung und die andere der anderen beiden
Wicklungen mit dem positiven Gleichstrompol verbunden ist und daß der Glättungskondensator
gleichspannungsseitig vor der Glättungsdrossel zwischen den Gleichstrompolen liegt.
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Bei bevorzugter Schaltung der Hauptventile und der Rückarbeitsser
ventile die/ ersten Lösungsvariante Jeweils in einer dreiphasigen
Drehstrombrückenschaltung
(andere Zusammenfassungen der Hauptventile und Rückarbeitsventile sind möglich)
kommt man - ohne Berücksichtigung der Kommutierungsventile - mit nur zwölf steuerbaren
Ventilen zur Durchführung der obengenannten Funktionen aus, wobei die Belastung
der Hauptventile bzw. der Rückarbeitsventile gegenüber einer normalen Drehstrombrückenschaltung
reduziert, nämlich etwa halbiert ist. Der Glättungskondensator liegt auf der Gleichspannungsseite,
also vor der Glättungsdrossel, womit die Gefahr des Gleichspannungs-Kurzschlusses
bei Durchzündungen aller oder zweier an gleicher Phase liegender Ventile ausgeschaltet
ist. Die Durchzündung aller Ventile kann bekanntlich zur Entlastung bzw. Stromaufteilung
bei Störungen vorgenommen werden (DE-PS 14 88 859).
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Die erste Lösungsvariante ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß
die beiden Anschlüsse des einzigen Kommutierungskondensators sowohl mit dem Anoden-
und Kathodenknoten als auch mit dem Anoden und Kathodenverbindungspunkt über die
steuerbaren Kommutierungsventile verbunden sind und daß in der Verbindung zwischen
dem Anodenknoten und dem Minuspol eine erste Diode und in der Verbindung zwischen
dem Kathodenknoten und dem Pluspol eine zweite Diode vorgesehen ist. Mit dieser
Kommutierungseinrichtung und ihrer Verschaltung mit den Haupt- und Rückarbeitsventilen
wird vorteilhaft der stromeinprägende Einfluß der Glättungsdrossel für die kurzen
Kommutierungsphasen unwirksam gemacht. Dabei wird durch zeitweisen gegensinnigen
Stromfluß in den jeweils induktiv gekoppelten Wicklungspaaren eine zeitweise Kompensation
des ansonsten von der Drossel jeweils in der entsprechenden Gleichstromleitung aufrechterhaltenen
Stromes erreicht.
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Weiterhin sind zweckmäßig der Anodenknoten und der Anodenverbindungspunkt
über eine dritte Diode verbunden und in der Verbindung des Anodenknotens mit der
ersten Diode liegt eine erste Drossel. Der Kathodenknoten und der Kathodenverbindungspunkt
sind über eine vierte Diode verbunden und in der Verbindung des Kathodenknotens
mit der zweiten Diode liegt eine zweite Drossel. Die erste und zweite Drossel wirken
als Kommutierungsdrosseln, so daß während der entsprechenden Halbschwingung des
Kommutierungskondensators ein Löschstrom in Sperrichtung durch das jeweils abkommutierende
Hauptventil fließt. Es wird die Wiedererlangung der Sperrfähigkeit des abkommutierenden
Hauptventils verbessert. Die Brückenschaltung mit den Hauptventilen arbeitet sperrspannungsfrei.
Entsprechas des gilt für das jeweils abkommutierende Rückarbeitsventil.
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Für letztere Funktion vorteilhaft ist eine Reihenschaltung der dritten
Diode mit einer ersten sättigbaren Drossel und der vierten Diode mit einer zweiten
sättigbaren Drossel.
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Eine zweckmäßige Variante der ersten Lösung besteht darin, daß zwei
Kommutierungskondensatoren vorgesehen sind, von denen der erste mit seiner einen
Seite direkt an den Anodenverbindungspunkt und mit seiner anderen Seite an den Verbindungspunkt
zwischen der ersten Diode und der ersten Drossel und von denen der zweite mit seiner
einen Seite
direkt an den Kathodenverbindungspunkt und mit seiner
anderen Seite an den Verbindungspunkt zwischen der zweiten Diode und der zweiten
Drossel angeschlossen ist und daß zwischen dem Anodenverbindungspunkt und dem Anodenknoten
ein erstes steuerbares Hilfsventil und zwischen dem Kathodenverbindungspunkt und
dem Kathodenknoten ein zweites steuerbares Hilfsventil liegt.
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Bei dieser Lösungsvariante werden zwar zwei Kommutierungskondensatoren,
aber vorteilhaft nur zwei steuerbare Hilfsventile gebraucht, wogegen bei der oben
beschriebenen Schaltung vier steuerbare Kommutierungsventile notwendig sind.
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Die letztgenannte Lösungsvariante ist ebenfalls in der vorbeschriebenen
Weise mit einer dritten und einer vierten Diode beschaltet.
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Eine zweite Lösung der vorgenannten Aufgabe, mit geringem Ventilaufwand
auszukommen, besteht darin, daß jeder Hauptventilgruppe eine Rückarbeitsventilgruppe
mit steuerbaren Rückarbeitsventilen mit einem eigenen Anodenknoten bzw. einem eigenen
Kathodenknoten zugeordnet ist, daß die beiden Hauptventilgruppen über entgegengesetzt
gepolte Diodengruppen an die Wechselstromklemmen angesckibssen sind, daß die Glättungsdrossel
aus vier Wicklungen besteht, von denen je eine in jeder Gleichstromleitung liegt,
und zwar zwischen dem positiven Gleichstrompol und dem Anodenverbindungspunkt bzw.
zwischen
dem negativen Gleichstrompol und dem Kathodenverbindungspunkt
und Jeweils mit einer der anderen beiden induktiv gekoppelt it, daß der Anodenknoten
über eine erste Kommutierungsdrossel, eine Diode und die eine der anderen beiden
Wicklungen mit dem negativen Gleichstrompol und der Kathodenknoten über eine zweite
Kommutierungsdrossel, eine Diode und die andere der anderen beiden Wicklungen mit
dem positiven Gleichstrompol verbunden ist, daß jeder Kommutierungsdrossel ein Kommutierungskondensator
zugeordnet ist, wobei der eine derselben am Anodenverbindungspunkt und der andere
am Kathodenverbindungspunkt angeschlossen ist, daß ein Glättungs-ondensator gleichspannungsseitig
vor der Glättungsdrossel zwischen den Gleichstrompolen liegt, daß jedem Hauptventil
eine Diode unmittelbar antiparallel schaltbar ist,wobei daß jedem Rückarbeitsventil
eine Diode antiparallel zugeordnet ist und je drei Dioden über ein steuerbares Hilfsventil
mit dem Anodenknoten bzw. dem Kathodenknoten verbunden sind.
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Auch bei dieser zweiten Lösung, die in ihrer Wirkungsweise der ersten
Lösung entspricht, sind wie bei der Untervariante der ersten Lösung nur zwei steuerbare
Hilfsventile vorgesehen. -Theoretisch können auch allen Rückarbeitsventilen steuerbare
Hilfsventile direkt antiparallel geschaltet sein, Jedoch ist dieser Aufwand unwirtschaftlich
und aufgrund der vorgenannten Lösung mit zwei Hilfsventilen unnötig. -
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen selbstgeführten Stromrichter nach der ersten
Lösungsvariante; Fig. 2 die Zeitverläufe von Spannungen der Schaltung nach Fig.
1 zwischen den Wechselstromklemmen und dem Nullpunkt und zwischen den Gleichstromklemmen
und dem Nullpunkt; Fig. 3 die Zeitverläufe von Strömen der Schaltung nach Fig. 1;
Fig. 4 einen gedehnten Zeitabschnitt zu Fig. 2; Fig. 5 einen gedehnten Zeitabschnitt
zu Fig. 3; Fig. 6 eine Untervariante zum Stromrichter nach Fig. 1 und Fig. 7 die
zweite Lösungsvariante für den selbstgeführten Stromrichter.
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Die in Fig. 1 dargestellte Schaltung besteht aus folgenden Hauptteilen:
An die Wechselstromklemmen 1, 3, 5 sind zwischen einem Anodenverbindungspunkt 2
und einem Eathodenverbindungspunkt 4 Hauptventile T21, T23, T25; T14, T34, T54 in
Drehstrombrückenschaltung angeschlossen. Die Bezeichnung der Schaltelemente erfolgt
in ihren Indizes zur eindeutigen Definition ihrer Lage unter Bezug auf die Verbindungspunkte
bzw.
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Knoten, zwischen denen sie liegen.
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Beispiel: Die oberste Wicklung 42 der Glättungsdrossel L liegt zwischen
den Knoten P und 2, sie wird deshalb durch LP2 eindeutig bezeichnet. Ebenso sind
die Spannungen in üblicher Weise bezeichnet, z.B.: U50-Spannung zwischen Wechselstromklemme
5 und Nullpunkt 0, "i49"-Strom von Punkt 4 zum Punkt 9, so daß nicht jede Größe
zu erläutern ist.
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Der Hauptstromrichter ist über zwei BP2 hI4 der vier gleichen Wicklungen
LP2' BM4; LMA, BBPS der Glättungsdrossel L mit der konstanten Speisespannung E verbundenrwobei
der Wicklungssinn in üblicher Weise durch einen Punkt markiert ist und einmal die
Wicklungen SP2 und i und zum anderen die Wicklungen LBP und BM4 induktiv gekoppelt
sind, - und zwar der Anodenknoten 2 mit dem Pluspol P, der Kathodenknoten 4 mit
dem Minuspol M. Wenn der Strom über eines.der Hauptventile T21 T54 fließt, wird
Energie von den Gleichstrompolen P, M zu den Wechselstromklemmen 1, 3, 5 übertragen.
Um einen Energiefluß
auch in entgegengesetzter Richtung zu ermöglichen,
sind Rückarbeitsventile T61 T6D, T65; T18, T38, T58 vorgesehen, die in Drehstrombrückenschaltung
zwischen einem Anodenknoten 6 und einem Kathodenknoten 8 einerseits sowie den Wechselstromklemmen
1, 3, 5 andererseits angeordnet sind. Der Anodenknoten 6 ist über eine erste Diode
DAG und die Wicklung i mit dem Minuspol M, der Eathodenknoten 8 über eine zweite
Diode D und die Wicklung LBP mit dem Pluspol P der Gleichspannungsquelle verbunden.
Ein Glättungskondensator C zwischen den Polen P und M übernimmt den Wechselanteil
des Gleichstromes id, so daß die Quelle E nur den Gleichanteil id führen muß.
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Die bisher nicht behandelten Schaungsteile gehören zur Kommutierungseinrichtung
10, die folgenden Aufbau hat: Es ist nur ein Kommutierungskondensator Cxy zwischen
den Anschlußpunkten X, Y vorgesehen. Diese beiden Anschlüsse X, Y sind sowohl mit
dem Anoden- und Kathodenknoten 6 und 8 als auch mit den Anoden- und Kathodenverbindungspunkt
2 und 4 über steuerbaren Kommutierungsventile TYG' THY' T2X, Tx4 in der genannten
Verbindungsreihenfolge verbunden. Zur Kommutierungseinrichtung 10 gehören ferner
die bereits erwähnte erste und zweite (Sperr) Diode DAG und DHB sowie eine an erstere
DAG LG6 und den Anodenknoten 6 angeschlossene erste Drossel/und eine an die zweite
Diode D und den Kathodenknoten angeschlossene zweite Drossel L8H.
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Um die Wirkungsweise der Schaltung übersichtlich erklären zu können,
werden alle Schaltungselemente als verlustfrei ange-L nommen. Ferner soll die Induktivität
der Glättungsdrossel/so L groß sein, daß die von der an der Drossel/auftretenden
Wechselspannung verursachten Wechselströme gegenüber den Gleichströmen vernachlässigt
werden können.
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Eine positive Halbschwingung des Lastwechselstromes i10 kann in der
Weise erzeugt werden, daß zunächst der Thyristor T21 den durch die Glättungsdrossel
L eingeprägten konstanten Gleichstrom I durchschaltet. Wern dann nach einem Teil
der Halbperiode der Strom auf den Thyristor T61 kommutiert wird, ändert sich dadurch
nichts an der Durchflutung der Glättungs-L drossel6 der konstante Gleichstrom I,
der vorher über die Drosselwicklung Lp2 floß, nimmt jetzt seinen Weg über die Wicklung
k . Sind das Haupt- und das Rückarbeitsventil Je zur Hälfte daran beteiligt,die
positive Halbschwingung des Stromes i10 zu bilden, so wird vom Rückarbeitsventil
T61 ein Energiebetrag an die Gleichspannungsquelle zurückgelefert, der genau so
groß ist wie die Energie, die von der Quelle über das Hauptventil T21 geliefert
wurde. Da bei konstantem Gleichstrom I, der während der positiven Halbschwingung
von i10 der Klemme 1 zugeführt wird, im Mittel keine Leistung gebildet wird, muß
der Mittelwert der für den Stromrichter wirksamen Gleichspannung'den den Wert Null
haben. Beteiligt sich ausschließlich
das Hauptventil T21 an der
Erzeugung der positiven Halbschwingung des Stromes i10, so ist der Mittelwert der
wirksamen Gleichspannung gleich der vollen QuellenspannungtE, Bildet allein das
Rückarbeitsventil T61 die positive Halbschwingung von i10 so ist die wirksame Eingangsgleichspannung
gleich der -E negativen Quellenspannung/.Durch Verändern der Anteile,die die T211
... und T eines Haupt- und Rückarbeitsventile/zur idung eines Lastwechselstromes
beitragen, kann demnach der Mittelwert der wirksamen Eingangsgleichspannung stetig
zwischen + E und - E eingestellt werden.
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In den Figuren 2 und 3 sind die Zeitverläufe der wichtigsten Spannungen
bzw. Ströme für ein Beispiel dargestellt, bei dem die Last durch Wechselspannungsquellen
mit induktivem Innenwiderstand dargestellt werden kann, wie es z.B. bei Asynchronmaschinen
möglich ist. - Die Figuren 2 und 3 sind - mit gleichen Zeitmaßstab - untereinander
zu betrachten. In Fig. 3, die die Ströme zeigt, sind daher die Spannungen nach Fig.
2 noch einmal teilweise miteingezeichnet. - Die Einrichtung zur Selbstkommutierung
arbeitet nur, wenn der Strom von einem Hauptventil auf das an den gleichen Strang
gleichsinnig angeschlossene Rückarbeitsventil übergehen soll. Diese Vorgänge laufen
im Vergleich mit der Periodendauer der Ausgangswechselspannung sehr schnell ab und
werden deshalb erst später in einem größeren
Zeitmaßstäb dargestellt.
Zur Darstellung des Spannungszustandes der Schaltung sind die Potentiale der wichtigsten
Knoten in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Bezugspunkt ist der Knoten 0, der
Mittelpunkt des Lastspannungssystems.
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Zur Erklärung der Wirkungsweise soll von folgendem Zustand ausgegangen
werden: Ein konstanter Gleichstrom I (Fig. 1, 3) fließt vom Pluspol P der konstanten
Spannung E über die Wicklung LP2 der Glättungsdrosselspule L über das Stromrichterventil
T23 zur Wechselstromklemme 3, über die Streuinduktivität L35 und die Wechselspannung
e50 zum Nullpunkt 0 des als symmetrisch angenommenen Dreiphasensystems, von dort
zurück über die Spannung e TO und die Streuinduktivität L5T zur Klemme 5, über das
Stromrichterventil T54 und über die Wicklwng' L4M der Glättungsdrosselspule zurück
zum negativen Anschluß M.
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Im Zeitpunkt tl wird durch die Kommutierungseinrichtung der Strom
vom Thyristor T23 auf das Rückarbeitsventil T63 kommutiert. Der konstante Gleichstrom
I nimmt dann seinen Weg über die Kommutierungsinduktivität LG6, die Diode DAG und
die Glättungsdrosselwicklung X zum Minuspol M. Die obere Hälfte der Schaltung arbeitet
jetzt im Gleichrichterbetrieb, sie liefert Energie von der Drehstromseite zur Gleichstromseite.
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Bei der unteren Schaltungshälfte fließt die Energie in umgekehrter
Richtung, sie arbeitet im Wechselrichterbetrieb. Die Gleichspannungsquelle ist Jetzt
stromlos, die Gesamtschaltung arbeitet im Freilaufbetrieb (t1 - t2).
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Im Zeitpunkt t2 wird wieder der Thyristor T23 angesteuert, dadurch
entsteht ein P;ommu-tierungsstrom, der den Gleichstrom I in den Ventilen T63 und
DAG auslöscht. Der Kommutierungsstrom wird durch die Gleichspannung E getrieben
und fließt in folgender Masche: Vom Pluspol P über die Wicklung Lp2 der Glättungsdrossel,
über den Thyristor T23, den Thyristor T63, die Kommutierungsdrossel LG6, die Diode
DAG und über die Wicklung ZEA der Glättungsdrossel zum Minuspol M. Die Durchflutung
der Glättungsdrossel'L wird durch den Kommutierungsstrom nicht geändert, daher ist
für den Kommutierungsstrom nicht deren große Hauptinduktivität wirksam,sondern nur
die treuinduktivität zwischen den Wicklungen Lp2 und LMA . Durch geeigneten Wicklungsaufbau
kann diese sehr klein gehalten werden, die Kommutierungszeit ist dann klein gegenüber
der Periodendauer der Ausgangsspannung und im gewählten Zeitmaßstab praktisch nicht
erkennbar. Der Kommu -tierungsstrom ändert sich linear mit der Zeit. Nach Ablauf
der Rückkommutierung auf das Hauptventil T23 befindet sich die Gesamtschaltung wieder
im Wechselrichterbetrieb.
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Im Zeitpunkt t3 wird dann als nächstes der konstante Strom I vom Hauptventil
T54 mit Hilfe der Kommutierungseinrichtung auf das Rückarbeitsventil T58 und die.Diode
DHB kommutiert, bis zum Zeitpunkt t4 arbeitet die obere Schaltungshälfte im Wechselrichterbetrieb,
die untere im Gleichrichterbetrieb und die Gesamtanordnung wieder im Freilaufbetrçb.
Jetzt soll der Laststrom vom Wechselstromanschluß 5f den Wechselstromanschluß 1
kommutiert werden. Dazu wird der Thyristor T14 angegesteuert.
Dadurch
entsteht ein Kommutierungsstrom der den Gleichstrom I in den Ventilen T58 und D
auslöscht. Der Kommutierungsstrom wird durch die Spannung (E-eTO+eRO) getrieben
und fließt in folgender Masche: Vom Pluspol P über die Wicklung LPB der Glättungsdrossel,
die Diode DHB, die Kommutierungsdrossel L8HS den Thyristor T58, die Kurzschlußinduktivität
L5Tdie Spannungsquelle eT0, die Spannungsquelle eRO, die Kurzschlußinduktivität
LiR, den Thyristor T14 und die Wicklung L4M der Glättungsdrossel zum Minuspol M.
Da die Kurzschlußinduktivität L (L1R> L3S, L5T) in der Regel erheblich größer
als die Kommutierungsinduktivität Lk (LG6, LH8) ist, kann die überlappung im gewählten
Zeitmaßstab deutlich dargestellt werden. Auch bei dieser Kommutierung des Laststromes
von einem Strang auf einen anderen wird die Hauptinduktivitt der Glättungsdrossel
L nicht wirksam. Während der überlappung haben nicht nur die drei Wechselspannungen
eRO, eSO, eT0,sondern auch die Gleichspannung E Einfluß auf den Zeitverlauf der
Spannungen zwischen den Wechselstromklemmen 1, 3 und 5. Nach Beendigung der überlappung
im Zeitpunkt t5 befindet sich die Gesamtschaltung wieder im Wechselrichterbetrieb.
Zwischen den Zeitpunkten t6 und t7 sowie zwischen t8 und t9 arbeitet die Anordnung
im Freilaufbetrieb. Die Zeitpunkte t8 und t9 liegen genau um eine Pulsperiode der
Schaltung, d.h. um ein Sechstel der Periodendauer später als t1 und t2; alle Vorgänge
wiederholen sich jetzt in entsprechender Weise.
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In den Figuren 4 und 5 ist der Verlauf der Vorgänge bei der Kommutierung
des konstanten Gleichstromes I vom Hauptventil T54 auf das Rückarbeitsventil T58
dargestellt. - Diese Zeichnungen sind wie die Figuren 2 und 3 ebenfalls untereinander
gelegt zu betrachten. In Fig. 5 ist daher zur Orientierung ein Teil der Fig. 4 miteingezeichnet.
- Die Zeit nach dem Zeitpunkt t3 aus den Figurn 2 und 3 ist in einem solch gedehnten
Zeitmaßstab dargestellt, daß die Spannungen eRO, e50 und eTO als konstant erscheinen.
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Der Kommutierungskondensator C ist so aufgeladen, daß der Knotenpunkt
X gegenüber Y die positive Spannung E besitzt. Werden jetzt die Thyristoren Tx4,
THy und T58 gezündet, so lädt sich der Kondensator Cxy in Form einer Eigenhalbschwingung
über die Kommutierungsinduktivität L8H um. Zunächst fließt der anwachsende Umladungsstrom
über den Thyristor Tx4, dann über den Thyristor T54 und verringert den dort fließenden
Strom, anschließend über das Ventil T58, die Kommutierungsinduktivität L8H und über
den Thyristor T zurück zum Punkt Y. Erreicht der Umladestrom bei tod, die Höhe des
Wechselstromes, der über die Klemme 5 fließt, dann verlöscht das Ventil T54. Da
sich in diesem Zustand der Umladestrom nicht mehr ändert, geht die Spannung an der
Xommutierungsdrossel L8H auf Null zurück, die in diesem Zustand vorhandene Kondensatorspannung
legt sich an die Reihenschaltung aus Diode D49 und sättigbarer Drossel L98 (nichtlineare
Diodeninduktivität) zwischen den Knoten 4 und 8, damit tritt diese Spannung auch
in Sperrichtung am Ventil T54 auf. Nach einer kurzen Zeit gerät die Drossel B98
in Sättigung,
der den über die Klemme 5 fließenden Strom übersteigende
Anteil des Umladungsstromes gelangt über die Diode D49 zur Eommutierungsinduktivität
L8H, an der jetzt wieder die Spannung des Kondensators Cxy abfällt.
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Nach dem Nulldurchgang der Spannung am Kommutierungskondensator verringert
sich der Umladungsstrom wieder; erreicht er die Höhe des über die Klemme 5 fließenden
Stromes, geht die Reihenschaltung aus Diode D49 und Drossel L98 in den Sperrzustand
über. Der Umladungsstrom ändert sich nicht mehr, infolgedessen geht die Spannung
an der Kommutierungsinduktivität L8H auf Null zurück. Die im Vorzeichen geänderte
Kondensatorspannung entmagnetisiert zunächst die nichtlineare Drossel L98 und fällt
dann in Sperrichtung an der Diode D49 ab. Gleichzeitig tritt diese Spannung in Durchlaßrichtung
am Ventil T54 auf, dessen Freiwerdezeit inzwischen abgelaufen sein muß. Der konstante
Strom über die Klemme 5 lädt den Kommutierungskondensator Ct weiter auf, er fließt
in diesem Zustand immer noch über die M Wicklung LM4 zurück zum Minuspol/der Gleichspannungsquelle
E Erreicht der Knotenpunkt Y gegenüber dem Punkt X die Spannung +E, so wird die
Diode D leitend. Der Strom beginnt über die Wicklung LBP unter Umgehung der Spannungsquelle
E zu fließen.
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Ist die Streuinduktivität zwischen den Wicklungen LBP und L4M sehr
klein, so erfolgt der Stromübergang zwischen den Wicklungen sehr schnell , der Kommutierungskondensator
wird nicht weiter geladen, die Thyristoren Tx4 und T sperren, der Vorzustand
ist
bis auf das Vorzeichen der Kondensatorspannung wSderhergestellt. Ist die Streuinduktivität
zwischen den Wicklungen Lp2 und LMA bzw. LBP und \4 der Glättungsdrosselspule L
nicht zu vernachlässigen, erfolgt eine dem Strom über die Klemme 5 pro-Cxy portionale
Uberladung des Kommutierungskondensators/über den Spannungsbetrag E hinaus. In entsprechender
Weise kann jetzt im Zeitpunkt t6 das Ventil T23 durch Zünden von T2X, TYG und T63
gelöscht werden.
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In den Figuren 2 und 3 ist der Zeitverlauf der Schaltungsgrößen für
einen Betriebspunkt dargestellt, bei dem sich die Gesamtanordnung abwechselnd im
Wechselrichter- und im FreiiauSbetrieb befindet. Im Mittel wird Energie von der
Gleichstromseite zur Drehstromseite übertragen. Wird der Anteil des Laststromes,
der über die Rückarbeitsventile T61, T63, T65; T18, T38 T58 geliefert wird, größer
als der Anteil, den die Hauptventile T21 T23, T25; T14 T34, T54 durchlassen, so
ent-54 stehen Zeitabschnitte, in denen sowohl die obere Schaltungshälfte als auch
die untere Hälfte- und damit auch die Gesamtanordnung - im Gleichrichterbetrieb
arbeiten. Während der restlichen Zeit arbeitet immer eine Schaltungshälfte im Wechselrichterbetrieb,
die andere im Gleichrichterbetrieb und die Gesamtanordnung im Freilaufbetrieb. Im
Mittel wird dann Energie von der Drehstrom- zur Gleichstromseite übertragen.
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Von den drei vorkommenden Kommutierungsarten werden zwei durch Zünden
von Hauptventilen ausgelöst: 1. Kommutierung des Stromes von einem Rückarbeitsventil
auf ein am gleichen Strang angeschlossenes Hauptventil.
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2. Kommutierung des Stromes von einem Rückarbeitsventil auf ein an
einem anderen Strang angeschlossenes Hauptventil.
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Zur Auslösung der verbleibenden 3. Kommutierungsart müssen ein Rückarbeitsventil
und zwei besondere Kommutierungsventile gleichzeitig angesteuert werden: 3. Kommutierung
des Stromes von einem Hauptventil auf das am gleichen Strang angeschlossenes Rückarbeitsventil.
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Die in Fig. 1 dargestellte Kommutierungseinrichtung 10 bewirkt vorteilhaft
eine sperrspannungsfreie Löschung der Hauptventile T 21' t T54 . Läßt man die Kommutierungsdrosseln
LG6 und L8H, die nichtlinearen Drosseln L67 und L98 sowie die Dioden D72 und D49
fort, liegt während der Schonzeit an dem jeweiligen Hauptventil in Sperrichtung
die Spannung des Kommutierungskondensators Die Die Dauer der Schonzeit ist dann
dem Belastungsstrom etwa umgekehrt proportional.
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Durch Anordnung von zwei getrennten Kommutierungskondensatoren CG2,
CH4 wird es möglich, zwei Kommutierungsthyristoren einzusparen. Fig. 6 zeigt ein
entsprechendes Schaltungsbeispiel.
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Die Bezeichnungen der Knoten und Schaltungselemente entsprechen denen
aus Fig. 1. Gemäß Fig. 6 sind zwei Kommutierungskondensatoren CG2, C4H vor gesehen,
von denen der erste CG2 mit seiner einen Seite an deren Anodenverbindungspunkt 2
und mit seiner
anderen Seite an den Verbindungspunkt G zwischen
der ersten und von denen der zweite 4H mit seiner einen Seite direkt an den Kathodenverbindungspunkt
4 und mit seiner anderen Seite an den Verbindungspunkt H zwischen der zweiten Diode
D49 und der zweiten Drossel L48 angeschlossen ist. Zwischen dem Anodenverbindungspunkt
2 und dem Anodenknoten 6 liegt ein erstes steuerbares Hilfsventil T26 und zwischen
dem Kathodenverbindungspunkt 4 und dem Kathodenknoten 8 ein zweites steuerbares
Hilfsventile dritte und vierte Diode D72, D49 sind entsprechend Fig. 1 eingeschaltet.
In Reihe mit der dritten Diode D72 liegt wieder die erste sättigbare Drossel L67
bzw. in Reihe mit der vierten Diode D49 die zweite sättigbare Drossel L98.
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Die wesentliche Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 6 bleibt die
gleiche wie diejenige von Fig. 1. Der den Fig. 4 und 5, in diesem Beispiel vom Hauptventil
T54 auf das Rückarbeitsventil T58, entsprechende Kommutierungsvorgang verläuft jetzt
wie folgt: Der Kondensator C4H ist so aufgeladen, daß der Knotenpunkt H gegenüber
4 die positive Spannung E besitzt. Wenn jetzt der Thyristor T84 und das Rückarbeitsventil
T58 gezündet werden, fließt zunächst eine Umladungs-Halbschwingung allein über den
Thyristor T84. Am Ende dieser ersten Halbschwingung hat die Spannung am Kondensator
C4H das Vorzeichen gewechselt, der Knotenpunkt 4 besitzt jetzt gegenüber H die positive
Spannung E. Der anwachsende Strom der zweiten Eigenhalbschwingung fließt über den
Thyristor T54 und verringert den dort fließenden Strom, genau wie bei der in Fig.
1 dargestellten Schaltung. Alle weiteren Vorgänge verlaufen ebenfalls wie für die
in Fig. 1 dargestellte Schaltung beschrieben, am Ende dieser Vorgänge ist der Knotenpunkt
H gegenüber dem Punkt 4 wieder positiv geladen, die Kommutierungseinrichtung 10'
ist für das Löschen des nächsten stromführenden Hauptthyristors bereit.
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Bei einer zweiten Schaltungsvariante mit zwei getrennten Kommutierungskondensatoren
CG2, C4H gemäß Fig. 7 wird es möglich, die dritte Kommutierungsart allein durch
Ansteuerun von Rückarbeitsventilen einzuleiten.
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Der selbstgeführte Stromrichter nach Fig. 7 hat den nachfolgend erläuterten
Schaltungsaufbau. -Die Bezeichnung der Knoten und Schaltelemente ist entsprechend
Fig. 1 gewählt. -An die Gleichstrompole P und M ist die bereits beschriebene Glättungseinrichtung
mit zwischen den Polen P und M liegendem Glättungskondensator C und nachgeschalteter
Glättungsdrossel L mit vier Wicklungen Lp2, LMAt LBpt LM4 an geschlossen.
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Eine erste Gruppe von steuerbaren Hauptventilen T21, T23, T25, ist
über den Anodenverbindungspunkt 2 und eine zweite Gruppe 4 T1*4, T3*4, T5*4 über
den Kathodenverbindungspunkt/zusammengefaßt. Die Ventile beider Gruppen sind wechsel-
bzw. drehstromseitig an Hilfsklemmen 1', 3', 5' bzw. 1*, 3*, 5* angeschlossen.
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Jeder Hauptventilgruppe ist eine Rückarbeitsventilgruppe mit steuerbaren
Rückarbeitsventilen T61', T62,, T63,;T1*8 T3*8JTs*v mit einem eigenen Anodenknoten
6 bzw. einem eigenen Kathodenknoten 8 angeordnet. Die beiden Hauptventilgruppen
T21,;T23,; T25, und T1*4; T3*4; T5*4 sind über entgegengesetzt gepolte Diodengruppen
aus Dioden D1,1; D3,3; D5,5 und D11*; D33*; D55* an die Wechselstromklemmen 1, 3,
5 angeschlossen.
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Von den vier Wicklungen Lp2, LMAiLgp' LM4 der Glättungsdrossel L liegt
je eine Lp2 bzw. LM4 in jeder Gleichstromleitung, und zwar zwischen dem positiven
Gleichstrompol P und im Anodenverbindungspunkt 2 bzw. zwischen dem negativen Gleichstrompol
M
und dem Kathodenverbihdungspunkt 4 und ist jeweils mit einer
der anderen beiden LMA bzw. LBP induktiv gekoppelt.
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Die Kommutierungseinrichtung besitzt gleiche Schaltelemente wie diejenige
nach Fig. 1, jedoch nicht die dortigen steuerbaren Kommutierungsventile TyGt THG,
T2X und TX4.Der Anodenknoten 6 ist über die erste Kommutierungsdrossel LG6, die
Diode DAG und die eine LMA der anderen beiden Wicklungen der Glättungsdrossel L
mit dem negativen Gleichstrompol M und der Kathodenknoten 8 über die zweite Kommutierungsdrossel
L8H, die Diode DHB und die andere LBP der anderen beiden Wicklungen der Glättungsdrossel
L mit dem positiven Gleichstrompol P verbunden. Jeder Kommutierungsdrossel LG6"
L8H ist einer der Kommutierungskondensatoren CG2 bzw. C4H zugeordnet, wobei der
eine derselben am Anodenverbindungspunkt 2 und der andere am Kathodenverbindungspunkt
4 angeschlossen ist.
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Jedem Hauptventil T21, T23, T25'; T1*4; T3*4; T5*4 ist eine Diode
D112; D312; D5'2; D41*; D43*; D45* unmittelbar antiparallel geschaltet, um in Sperrichtung
der Ventilzweige auftretende Spannungen aufnehmen zu können. Jedem Rückarbeitsventil
T61,; T631; T65fi T1*8; T3*8i T5*8 ist eine Diode D117; D3,7; D5,7; Dgl*; D93*;
D95* wirkungsmäBig antiparallel zugeordnet, und je drei Dioden D1'7; D3'7 D5'7 bzw.
D91*; D93*; D95 sind über ein steuerbares Hilfsventil T76 bzw. T89 mit dem Anodenknoten
6 bzw. dem Kathodenknoten 8 verbunden. - Eine direkte Antiparallelschaltung von
Dioden zu den Rückarbeitsventilen T61,; T63,; T651 und T1*8; T3*8; T5*8 ist zu vermeiden,
weil sich sonst bei z.B.
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leitendem Haupiventil T5*4 ein Stromfluß über L8H D D95* - 5* - T5*4
-4- C4 - H neben dem gewünschten Stromfluß über den Verbraucher ergeben würde. -
Die
Schaltung nach Fig. 7 hat folgende, im wesentlichen derjenigen nach Fig. 1 entsprechende
Wirkungsweise: Es wird der den Fig. 4 und 5 entsprechende Kommutierungsvorgang erläutert.
Der Kondensator C4H ist so aufgeladen, daß der Knotenpunkt 4 gegenüber H die positive
Spannung E besitzt. Wenn jetzt das Rückarbeitsventil T5*8 gezündet wird, fließt
der anwachsende Umladestrom über den Thyristor T5*4 und verringert den dort fließenden
Strom, anschließend über den Thyristor T5*8 und die Kommutierungsinduktivität L
8H zum Punkt H. Erreicht der Umladestrom die Höhe des Wechselstromes, der über die
Wechselstromklemme 5 fließt, verlöscht das Ventil T5*4. Der den über die Klemme
5 fließenden Strom übersteigende Anteil des Umladestromes gelangt über die Diode
D45* zum Thyristor T5*8. Nach dem Nulldurchgang der Spannung am Kommutierungskondensator
C4H verringert sich der Umladestrom wieder; erreicht er die Höhe des über die Klemme
5 fließenden Stromes, geht die Diode D45* in den Sperrzustand über. Der Umladestrom
ändert sich nicht mehr. Infolgedessen geht die Spannung an der Kommutierungsinduktivität
L 8H auf Null zurück. Die im Vorzeichen geänderte Kondensatorspannung fällt an der
Parallelschaltung aus Thyristor T5*4 und Diode D45* ab, die Freiwerdezeit des Thyristors
T5*4 muß dann abgelaufen sein.
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Der konstante Strom über die Klemme 5 lädt den Kommutierungskondensator
C4H weiter auf, er fließt in diesem Zustand immer noch über die Wicklung L4M zurück
zum Minuspol M der Gleichspannungsquelle. Erreicht der Schaltungsknoten H gegenüber
dem Knoten 4 die Spannung +E, so wird die Diode DHB leitend, der Kommutierungskondensator
4H wird nicht weiter geladen, der Vorzustand ist bis auf das Vorzeichen der Kondensatorspannung
wiederhergestellt.
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Wird später ein am Knoten 4 angeschlossener Hauptthyristor angesteuert,
gleichgültig, ob im gleichen Strang liegend wie der jetzt den Strom führende Rückarbeitsthyristor
oder nicht, wird
er zunächst durch die Gleichspannung E in gleich
Weise wie schon beschrieben der Strom von den Ventilen T5*8 und DHB auf das neu
angesteuerte Hauptventil kommutiert. Frühestens im Löschaugenblick beginnt dann
nach der Ansteuerung des Hilfsthyristors T89 eine Umladung des Kommutierungskondensators
4H über die Kommutierungsdrossel L8H und diejenige Diode, die vom Punkt 9 zum neu
angesteuerten Hauptthyristor führt und über diesen zurück zum Punkt 4. Nach dem
Ablauf der ersten Eigenhalbschwingung hat der Kommutierungskondensator C4H wieder
den alten Ladungszustand erreicht, die Diode, die den Umladestrom führte, und der
Hilfsthyristor T89 sperren,die Kommutierungs- bzw. Löscheinrichtung ist für die
nächste Kommutierung des Laststromes vom Hauptventil auf das zugehörige Rückarbeitsventil
vorbereitet.