DE3615921A1 - Verfahren zum schutz zweier stromrichter mit gleichstromzwischenkreis vor ueberstroemen - Google Patents

Verfahren zum schutz zweier stromrichter mit gleichstromzwischenkreis vor ueberstroemen

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Description

43/86
9.5.86 Rz/eh
Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter mit Gleichstromzwischenkreis vor Ueberströmen
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter mit G Leichstromzwischenkreis vor Ueberströmen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Mit diesem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik von Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter mit Gleichstromzwischenkreis vor Ueberströmen Bezug, wie er aus der Schweizer Firmenzeitschrift: Brown Boveri Mitteilungen 9 (1978) S. 598 - 601 bekannt ist.
Dort ist für die Erregung eines Generators 5 eines Wasserkraftwerkes, das ein Drehstromnetz 1 speist, eine in Fig. 1 dargestellte, statische Erregungseinrichtung mit kreisstrombehafteten, antipara I Ielen, vollgesteuerten Stromrichtern 9 und 11 vorgesehen. Die beiden Stromrichter 9 und 11 sind über Transformatoren 15 und 17 vom Drehstromnetz 1 gespeist. Der Stromrichter 9 liefert entsprechend seiner Polarität und Ventilorientierung eine positive Er reger st romkomponente I( + -v und der Stromrichter 11
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eine negative Erregerstromkomponente I, ... Die Erregerstromkomponenten Ι,.ν und I/_s sind mittels St romwand Lern
14 und 16 in den Zuleitungen zu den Transformator eil
15 und 17 detektierbar. Aus Gründen der besseren Uebersichtlichkeit ist in Fig. 1 nur je ein Stromrichter 14 bzw. 16 eingezeichnet; tatsächlich sind in je zwei Zuleitungen zu den Transformatoren 15 und 17 Stromwandler vorgesehen. Der Strom in der jeweils dritten Zuleitung ergibt sich aus der Summe der Ströme in den beiden anderen Zuleitungen. Je nach der Spannung am Polrad arbeitet immer ein Stromrichter im Gleichrichterbetrieb und der andere im Wechselrichterbetrieb.
Ein näher in der o.g. Firmenzeitschrift beschriebener Zündimpulsregler 4 steht eingangs seit ig über einen Spannungswandler 2 und einen Stromwandler 3 mit dem Drehstromnetz 1 in Verbindung. Er steuert ausgangsseitig über ein Zündwinkelgerät 12 die Thyristoren T1 - T6 in den Brückenzweigen des Stromrichters 9 und über ein Zündwinkelgerät 13 Thyristoren T11 - T61 in den Brückenzweigen des Stromrichters 11.
Der Feldstrom I, = I(+) ~ I, ^ ist der Erregerwicklung des Generators 5 über einen Entregungsschalter 7 zugeführt. Parallel zur Erregerwicklung des Generators 5 ist ein ηichtIinearer Entregungswiderstand 8 z.B. aus Siliziumkarbid in Reihe mit einem Kurzschliesser 6 geschaltet, der antiparallele Thyristoren aufweist.
Gestrichelt ist ein Stromflusspfad 34 des "positiven" Stromrichters 9 von 5 über einen ersten Kontakt von 7, ferner über T6, 15, T1 und einen zweiten Kontakt von 7 nach 5 eingezeichnet. Ein zweiter, gepunktet eingetragener Stromflusspfad 35 des "negativen" Stromrichters 1 für die Erregerstromkomponente If » führt von 17 über T41, T61, 15, T1, eine Zwischenkreisdrosse I 10 und T31 zurück
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nach 17. Die Zwischenkreisdrossel 10 dient zur Entkopplung der beiden StromfLusspfade bzw. Gleichstromkreise 34 und 35 und zur Vermeidung von Kurzsch lussausg Lei clrs*- strömen. Der Ausgleichsstrom zwischen beiden Stromrichtern 9 und 11 wird auf ein Minimum geregelt; er sorgt dafür, dass beide Stromrichter dauernd Strom führen und dass praktisch ohne Zeitverlust eine Umsteuerung von negativem in positiven Erregerstrom erfolgen kann. Eine derartige Umsteuerung ist speziell bei transienten Zuständen, wie z.B. Kurzschlüssen von leerlaufenden Stromleitungen, erforderlich. Dadurch können Fehlabschaltungen bei Ueberspannungen vermieden werden.
Diese Regelungseinrichtung gewährleistet einen stabilen Betrieb auch bei Erregung Null und verhindert ein Pendeln zwischen beiden Stromrichtern.
Aus ökonomischen Gründen kann die mit einem Eisenkern versehene Zwischenkreisdrossel 10 nicht beliebig gross gewählt werden. Bei einer z.B. durch einen Kurzschluss im Drehstromnetz 1 hervorgerufenen Störung oder bei einem Fehler in der Stromrichterrege lung kann ein Zwischenkreisstrom i? sehr rasch ansteigen, so dass die Zwischenkreisdrossel 10 in Sättigung geht. Dabei können die Zwischenkreisdrossel 10 und der schwächer ausgelegte "negative" Stromrichter 11 beschädigt werden. Sicherungen 26, vgl. Fig. 2, in den Zuleitungen zu den Thyristoren T1 - T6 und T1' - T6' können defekt werden. Beim Auftrennen des Zwischenkreises können nicht eingezeichnete Kontakte eines Zwischenkreisschalters verschweissen. Solche Ueberströme sind auch bei korrekt arbeitender Regelung zu erwarten, wenn im Drehstromnetz 1 Ueberspannungen, Unsymmetrien und Spannungsverzerrungen auftreten, wie dies beispielsweise bei Generatoren der Fall ist, die auf eine gestörte Hochspannungsgleichstromübertragungs-
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Leitung einspeisen oder bei einem Abschatten von Kondensatorbänken. Bei dem bekannten Verfahren wird nach Feststellen eines zu hohen Zwischenkreisstromes der Generator 5 vom Drehstromnetz 1 getrennt. Die Zündimpulse werdengesperrt und die Entregung eingeleitet. Mit diesen Massnah· men sind zwar Generator und Erregungssystem geschützt, aber der Generator ist nach der Störung, die im allgemeinen höchstens einige zehntel Sekunden dauert, nicht mehr verfügbar. Besonders unerwünscht ist dieser Ausfall, wenn er mehrere Maschinen eines Kraftwerkes erfasst.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, gefährliche Ueberströme im Gleichstromzwischenkreis zweier Stromrichter zu verhindern.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass Ueberstromschaden an der Zwischenkreisdrosse I, am schwächer ausgelegten "negativen" Stromrichter und an etwaigen Schalteinrichtungen im Gleichstromzwischenkreis vermieden werden. Nach dem Einleiten des Freilaufs durch beide Stromrichter klingt der Zwischenkreisstrom langsam ab. Es führt kein Strom mehr über Transformatoren, welche die Stromrichter speisen, so dass auch keine Netzrückwirkungen mehr möglich sind. Ein vom "positiven" Stromrichter gespeister Generator braucht im Störfall nicht vom Drehstromnetz getrennt zu werden.
Gemäss einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein erhöhter Zwischenkreisstrom erfasst, bevor er gefährlich werden kann.
f\ Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
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Fig. 1 ein zum Stand der Technik zählendes Prinzipschema einer Erregungseinrichtung für einen Generator, anhand dessen ein normaler Betriebsfall dargestellt ist,
Fig. 2 ein Prinzipschema einer erfindungsgemässen Erregungseinrichtung für einen Generator mit eingezeichnetem Freilaufkreis und
Fig. 3 an einer Versuchsanlage aufgenommene OsziL logramme bei einer künstlich erzeugten Störung.
In den Figuren sind gleiche Signale und Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Unterschied zur Erregungseinrichtung gemäss Fig. 1 weist die Erregungseinrichtung gemäss Fig. 2 im Strompfad des Gleichstromzwischenkreises einen Shunt bzw. Messwiderstand 18 auf. Der Spannungsabfall in diesem Messwiderstand 18 liegt im Bereich von 0 mV - 100 mV und ist ein Mass für den Zwischenkreisstrom i , der typischerweise im Bereich von 100 A - 600 A, vorzugsweise bei 200 A liegt. Die Abgriffe des Messwiderstandes 18 stehen mit Messeingangen eines Gleichspannungsumsetzers 19 mit galvanischer Trennung in Verbindung, der ausgangsseitig ein Spannungssignal U19 von 0 V - 10 V an einen Schmitt-Trigger 20 liefert.
Ueberschreitet das Spannungssignal U19 einen vorgebbaren ersten Spannungsgrenzwert, entsprechend einem oberen bzw. ersten Stromgrenzwert ir1/· so gibt der Schmitt-Trigger 20 ausgangsseitig ein logisches Signal "1" ab, andernfalls das Signal logisch "0". Nach einer Grenzwertüberschreitung verschwindet das "1"-Ausgangssigna I des Schmitt-Triggers 20 erst dann wieder, wenn das Spannungssignal U19 einen vorgebbaren zweiten Spannungsgrenzwert, entsprechend
einem unteren bzw. zweiten Stromgrenzwert irp, unterschreitet. Der erste Stromgrenzwert i . Liegt im Bereich von 110 % - 150 % des Zwischenkreis-Nennstromes, vorzugsweise im Bereich von 115 % - 125 %, insbesondere bei 120 % des Zwischenkreis-Nennstromes. Der zweite Stromgrenzwert i _ ist kleiner als 50 % des ersten Stromgrenzwertes, vorzugsweise kleiner als 25 %, insbesondere = 10 % des ersten Stromgrenzwertes i_„.
Gi
Der Ausgang des Schmitt-Triggers 20 ist einerseits mit einem ersten Eingang eines UND-Gliedes 22 und andererseits über ein Verzögerungsglied 21 mit vorgebbarer Zeitverzögerung T mit einem zweiten Eingang dieses UND-Gliedes 22 verbunden. Die Zeitverzögerung T liegt im Bereich von 0,3 ms - 1,2 ms, vorzugsweise bei 0,8 ms. Die Zeitverzögerung dient dazu, dass durch transiente Vorgänge bedingte kurzfristige Ueberströme nicht zur Beendigung des Normalbetriebes und Einleitung des Frei Laufs führen können. Kurzfristige Frei laufzustände sind für den Betrieb des Generators selbst dann unschädlich, wenn sie unerwünscht ausgelöst sein sollten.
Das Ausgangssignal U22 des UND-Gliedes 22 ist an einen Blockiereingang 23 des Zündimpulsreglers 4 geführt, wo es im Falle des logischen Wertes "1" von U22 die Ausgabe von Steuersignalen 24 und 25 an die Zündwinkelgeräte 12 bzw. 13 blockiert bzw. sperrt. Gleichzeitig ist das Ausgangssignal U22 ersten Eingängen von UND-Gliedern 30 - 32 und 301 - 32' sowie dem Steuereingang eines Zündimpulsgenerators 33 zugeführt, der synchron mit einem "1"-Signal von U22 gestartet wird, eine Kette von KurzzeitzündimpuIsen erzeugt und am Ende des "1"-Signals von U22 nach Beendigung des vollständigen und letzten Impulses stoppt. Es kann auch ein Zündimpulsgenerator 33 verwendet werden, der während der Dauer des "!"-Signals von U22 einen Dauerzündimpuls erzeugt.
f- 43/86
Anstelle der Bauelemente 20 - 22 kann auch ein handelsübliches, einstellbares Minimum-Maximum-Relais 38 mit einer Ansprechzeit von 1 ms verwendet werden, das Ausgangs· seitig ein Steuer- bzw. Spannungssignal U38 liefert und, wie gestrichelt in Fig. 2 angedeutet, ansch Ii essbar ist.
In den positiven Brückenzweigen der Stromrichter 9 bzw. sind Stromdetektoren bzw. Stromwandler 27 - 29 bzw. 271 - 29' vorgesehen, die ausgangssei tig mit zweiten Eingängen der UND-Glieder 30 - 32 bzw. 30' - 32' in Wirkverbindung stehen. Die Ausgänge der UND-Glieder 30 - 32 bzw. 30' - 32' stehen mit elektronischen Schaltern S4 - S6 bzw. S41 - S61 in Steuerverbindung. Diese Schalter S4 - S6 und S41 - S61 stehen einerseits mit den Steuerelektroden der Thyristoren T4 - T6 bzw. T41 - T61 und andererseits mit dem Ausgang des Zündimpulsgenerators 33 in Verbindung. In der dargestellten Schaltposition mit geöffneten Schaltern S4 und S41 und geschlossenen Schaltern S5, S6, S5' und S61 gelangen die Zündimpulssignale vom Ausgang des Zündimpulsgenerators 33 nur zu den Steuerelektroden der Thyristoren T4 und T41, nicht aber zu den Steuerelektroden der Thyristoren T5, T6, T51 und T61.
Diese Schaltposition ergibt sich aus einem mindestens 0,8 ms andauernden Ueberstrom im Gleichstromzwischenkreis mit U22 = "1". Die Thyristoren T1 und T1' waren stromführend, so dass die Stromwandler 27 und 27' ein Spannungssignal an die UND-Glieder 30 und 30' übermitteln. Da an diesen UND-Gliedern 30 und 30' gleichzeitig das Signal U22 = "1" anliegt, steuern sie ausgangsseitig die Schalter S4 und S41 in die dargestellte Position. Dadurch entsteht für den Zwischenkreisstrom i ein gepunktet eingezeichneter Freilaufkreis 37 durch die beiden Stromrichter 9 und 11. Dabei ist der Laststrom jedes Stromrichters auf die Ventile einer Drehstromphase U oder V oder W
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geleitet. Die Ausgangsspannung U9 des Stromrichters 9 und U11 des Stromrichters 11 wird 0; der bestehende Strom kann aber weiterfLiessen. *
Nach erfolgtem Freilauf findet kein weiterer Anstieg des Zwischenkreisstromes i_ mehr statt. Durch die vorhandenen Lastinduktivitäten - Feldwicklung des Generators 5 und Zwischenkreisdrossel 10 - klingen die Ströme durch einen gestrichelt dargestellten Feldstromkreis 36 und durch den gepunktet dargestellten Frei laufkreis 37 nur langsam ab. Während der üblichen Dauer einer Netzstörung von bis zu 0,5 s können eingeprägte Feldströme ungehindert in beiden Richtungen fliessen. Da die Stromrichter 9 und 11 nur noch über eine Drehstromphase mit dem zugehörigen Transformator 15 bzw. 17 verbunden sind, ist keine Beeinflussung vom Drehstromnetz 1 her auf die Stromrichter und deren Lastkreise möglich.
Der Hagnetfluss im Generator 5 ändert sich in der kurzen Störungszeit bei Feldspannung 0 relativ wenig.
Nach Beendigung der Störung ist ein problemloses Rückschalten auf Normalbetrieb möglich, wobei der Generator 5 ohne abzuschalten am Drehstromnetz 1 bleibt. Dabei bekommt der Stromrichter 11 zunächst Zündimpulse entsprechend einer Wechse I richtergrenz lage. Innerhalb von etwa 5 ms verschwindet der Zwischenkreisstrom i_. Danach werden beide Stromrichter 9 und 11 normal freigegeben, so dass sich wieder ein Zwischenkreisstrom i? aufbauen kann.
Die Einleitung des Freilaufs kann auf verschiedene Weise erfolgen.
Die schnellste Methode beruht auf der Feststellung, welcher der Thyristoren z.B. in der positiven (negativen)
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BrückenhäLfte des jeweiLigen Stromrichters 9 bzw. 11 Strom führt. Dann werden aLLe normalen ZündimpuLse gesperrt und ein Dauerimpuls oder eine Impulskette *an die Zündelektrode jenes Thyristors der negativen (positiven) Brückenhälfte angelegt, der an die gleiche Drehstromphase wie der gerade stromführende Thyristor der positiven (negativen) Brückhälfte angeschlossen ist.
Eine einfachere Lösung besteht darin, die normalen Zündimpulse in der positiven (negativen) Brückenhälfte zu sperren und einen Dauerimpuls oder eine Impulskette an einen beliebigen oder an alle Thyristoren der negativen (positiven) Brückenhälfte anzulegen. Dabei muss jedoch, je nach dem Zeitpunkt der Frei laufei η Leitung, noch mit einem weiteren Ansteigen des Zwischenkreisstromes i gerechnet werden.
Der Stromrichter 9 ist als "positiver" Hauptstromrichter zur Speisung der Feldwicklung des Generators 5 für eine Stromstärke von 8 kA und eine Gleichspannung von 1 kV ausgelegt. Der Stromrichter 11 ist dagegen als "negativer" HilfsStromrichter nur für eine vergleichsweise kleine Stromstärke von 600 A und eine Gleichspannung von 1 kV ausgelegt; er führt nur den Zwischenkreisstrom i_. Die Spannungen U9 und U11 der beiden antiparaI Ielen, in Reihe geschaLteten Stromrichter 9 und 11 heben sich praktisch auf. Die Zwischenkreisdrossel 10 begrenzt die Ausgleichsströme, die von ungleichen Welligkeiten hervorgerufen werden.
Fig. 3 zeigt den Zeitverlauf der Spannungssignale U9, U11, U19 und U38 an einer vergleichsweise kleinen Testanlage bei einer künstlichen Störung. Für die Stromrichterspannungen 1)9 und U11 beträgt ein Teilabschnitt auf der Ordinate 110 V, für die SpannungssignaLe U19 und U38 2 V, wobei die Werte für das Spannungssignal U38 in Klammern gesetzt sind.
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Man erkennt im linken Teil der Fig. 3 die Störung zur Zeit t % 6 ms, wobei U9 als auch U11 positive Spannungswerte annehmen. Kurz danach steigen der Zwischenkr^isstrom i und damit das Spannungssignal U19 stark an, so dass das Minimum-Maximum-ReLais 38 anspricht und dessen Ausgangssignal U38 sprunghaft auf ca. 14,5 V ansteigt. Zur Zeit t ^ 11 ms gehen die Stromrichterspannungen U9 und U11 auf 0 zurück, entsprechend dem Frei laufzustand. Kurz danach beginnt der Zwischenkreisstrom i und damit auch U19 Langsam abzuklingen.
Im rechten Teil der Fig. 3 ist ersichtlich, wie sich der Zwi schenk rei sst rom i , vgl. LJ19, nach einem Neustart der "positiven" und "negativen" Stromrichter 9 und 11 z.Z. t ^118 ms praktisch ohne Ueberschwingung wieder 5 aufbaut.
Es versteht sich, dass der Zwischenkreisstrom i anstatt durch den Spannungsabfall am Messwiderstand 18 z.B. mittels eines Stromwandlers detektiert werden kann. Der ZundimpuLsgenerator 33 kann auch in die Zündwinkelgerate 12, 13 oder in den ZündimpuIsregler 4 integriert sein. Anstatt durch Stromwandler 27 - 29 und 27' - 29' können die z.Z. des Störungseintritt gerade stromführende Ventile auch aufgrund der Erzeugung der Steuersignale 24 und 25 innerhalb des ZündimpuLsreglers 4 erfasst werden.
Als Kriterium für die Rückstellung in den Normalbetrieb kann z.B. eine nicht dargestellte Schaltung verwendet werden, welche die Symmetrie der Netzspannungen U, V, W überwacht.
Wichtig ist, dass in Abhängigkeit vom Ueberschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes i _ * des Zwischenkreisstromes i möglichst schnell ein Freilauf für beide
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Stromrichter 9 und 11 hergestellt wird, der einen gefährlichen Stromanstieg im Gleichstromzwischenkreis verh i ndert. *
Das Verfahren eignet sich besonders für sehr grosse Schenkelpolmaschinen von Wasserkraftwerken, die dauernd am Drehstromnetz 1 bleiben und grosse kapazitive Leistungen aufbringen sollen.
-is-
Leerseite -

Claims (1)

  1. - Vt -
    PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zum Schutz zweier Stromrichter (9, 11)
    mit Gleichstromzwischenkreis vor UeberstrÖmen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freilauf (37) durch beide Stromrichter eingeleitet wird, wenn der Zwischenkreisstrom (i?) einen vorgebbaren ersten Stromgrenzwert (i,..,) überschreitet.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf aufgehoben wird, wenn der Zwischenkreisstrom (i,) einen vorgebbaren zweiten Stromgrenzwert (i _ -,) unterschreitet.
    Gc
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, a) dass der erste Stromgrenzwert <if1) im Bereich
    von 110 % - 150 % des Zwischenkreis-Nennstromes liegt und
    b) dass der zweite Stromgrenzwert (iGp) kleiner als
    50 % des ersten Stromgrenzwertes beträgt.
    4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass der erste Stromgrenzwert (ir1) im Bereich
    von 115 % - 125 % des Zwischenkreis-Nennstromes liegt und
    b) dass der zweite Stromgrenzwert (i_?) kleiner als 25 % des ersten Stromgrenzwertes beträgt.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (37) durch beide Stromrichter (9, 11) eingeleitet wird, wenn der Zwischenkreisstrom (i ) den vorgebbaren ersten Stromgrenzwert (i_„) während einer vorgebbaren Zeitdauer (T)
    G I
    von mehr als 0,1 ms überschreitet.
    _ γζ _
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf (37) durch beide Stromrichter (9, 11) eingeleitet wird, wenn der Zwi schenkrei sst rom (*i ) den vorgebbaren ersten Stromgrenzwert (i_„) während:'
    Gi einer vorgebbaren Zeitdauer (T) im Bereich von 0,3 ms - 1,2 ms überschreitet.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass in Abhängigkeit von einer Ueberschreitung des ersten Stromgrenzwertes (τγ1) des Zwischenkreisstromes (i?) die normalen Steuersignale (24, 25) für Zündwinkelgeräte (12, 13) zur Steuerung der Ventile (T1 - T6, T1· - T6') der beiden Stromrichter (9, 11) gesperrt werden, b) dass das gerade stromführende Ventil (T1 - T3, T1' - T31) der positiven oder negativen Brückenhälfte eines Stromrichters (9, 11) ermittelt wird, und
    c) dass dem an die gleiche Wechselstromphase (U, V, W) angeschlossenen Ventil (T4 - T6, T41 - T61) der negativen oder positiven Brückenhälfte dieses Stromrichters während der Dauer des Freilaufs ein Dauerzündimpuls oder eine Kette von Kurzzeitzündimpulsen zugeführt sind.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
    a) dass in Abhängigkeit von einer Ueberschreitung des ersten Stromgrenzwertes C i _-) des Zwischenkreisstromes (i?) die normalen Steuersignale (24,
    25) für Zündwinkelgeräte (12, 13) zur Steuerung der Ventile (T1 - T6, T1' - T61) der beiden Stromrichter (9, 11) gesperrt werden und
    b) dass allen Ventilen der negativen oder positiven Brückenhälften (T4 - T6, T41 - T61) der beiden
    -J-
    13/86
    Stromrichter (9,11) ein DauerzündimpuLs oder eine Kette von Kurzzeitzündimpulsen zugeführt wird. *
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