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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine
Überwachungseinrichtung für Mehrphasen-Gleichrichter.
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Eine derartige Vorrichtung findet insbesondere Anwendung für
Gleichrichter-Transformatoren mit großer Leistung.
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Ein solcher Gleichrichter-Transformator weist beispielsweise eine
dreiphasige Primärseite auf, wobei jede der drei Wicklungen
dieser Primärseite eine Spannung mit einer Frequenz von 400 Hz
erhält. Die Sekundärseite des Transformators weist 6 Wicklungen
auf, von denen drei in Dreiecksschaltung und drei in
Sternschaltung angeordnet sind. Für jede der sechs Sekundärwicklungen ist
eine Gleichrichtung fuhr beide Stromrichtungen vorgesehen, wobei
demgemäß zwölf Dioden eingesetzt werden. Die Gleichspannung am
Ausgang des Gleichrichters, die zur Ladung von Batterien und/oder
zur Versorgung von Ausrüstungsteilen bestimmt ist, weist eine
Restwelligkeit geringer Amplitude auf, deren Frequenz in dem
beschriebenen Beispiel gleich dem zwölffachen der Frequenz des
an die Primärseite angeschlossenen Netzes ist. Wenn die Frequenz
des Netzes 400 Hz beträgt, ist die Frequenz der Welligkeit daher
4.800 Hz.
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In einem Gleichrichter-Transformator ist es wichtig, Ausfälle und
insbesondere solche Ausfälle zu vermeiden, die die Zerstörung des
Gleichrichter-Transformators zur Folge haben. Dies ist von
besonderer Bedeutung, wenn der Gleichrichter an Bord eines
Luftfahrzeugs verwendet wird, wo jeglicher Ausfall schwerwiegende Folgen
haben kann und wo die Kriterien, die sich auf die Überwachung
beziehen, besonders streng sind.
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Aus der GB-A-2029138 ist bereits eine Überwachungsvorrichtung für
Mehrphasen-Gleichrichter mit Mitteln zur Erfassung der
Unterbrechung wenigstens einer der Gleichrichterdioden, mit denen der
Gleichrichter ausgestattet ist, um einen Alarm im Falle der
Erfassung auszulösen, bekannt.
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Eine solche Überwachungsvorrichtung ist wirkungsvoll, da in einen
Gleichrichter zahlreiche Ausfälle die Unterbrechung einer der
Gleichrichterdioden als Ursache haben. Ohne eine
Überwachungsvorrichtung bleibt aber ein solcher Ausfall verborgen, da der
Gleichrichter, von außen betrachtet, anscheinend nach wie vor
ohne Fehler arbeitet. In der Tat besteht die einzige Folge des
Ausfalls, den die Unterbrechung einer Diode darstellt, in der
Verminderung des Stroms, den der Gleichrichter maximal abzugeben
in der Lage ist, wobei eine solche Verminderung nicht entdeckt
wird, wenn der tatsächlich abgegebene Strom geringer ist als
dieser Maximalwert.
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Indessen müssen die verbleibenden Dioden den vom jeweiligen
Einsatz verlangten Strom liefern, wodurch deren Überlastung
proportional in dem Maße ansteigt, in dem andere Dioden durch
Unterbrechung ausfallen. Diese Überlastung kann zerstörerisch werden,
wenn der vom Einsatzzweck verlangte Strom die Abgabekapazität der
verbleibenden Dioden überschreitet.
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Die vorstehend beschriebene Überwachungseinrichtung vermeidet
Probleme dieser Art, da der Anwender durch den Alarm gewarnt
wird, sobald eine Diode unterbrochen ist, wodurch ermöglicht
wird, vorbeugende Maßnahmen zu treffen, beispielsweise indem ein
Eingriff vorgesehen wird, um die ausgefallene Diode bei der
nächsten Ruheperiode des Gleichrichters auszuwechseln oder auch um
den im Betrieb befindlichen Gleichrichter unmittelbar durch einen
Ersatzgleichrichter auszutauschen, falls die
Sicherheitsbedingungen besonders streng sind.
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Die Vorrichtung nach dem Stand der Technik weist allerdings zwei
schwerwiegende Nachteile auf.
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Zunächst ist sie sehr komplex und daher kostspielig und wenig
zuverlässig.
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Es wird dabei die Ausgangsspannung der überwachten
Gleichrichterbrücke mit der Ausgangsspannung einer Vergleichsbrücke
verglichen, die ihrerseits der Überwachten Gleichrichterbrücke ähnlich
ist und daher den gleichen Unsicherheiten wie die letztgenannte
unterworfen ist. Im Falle der Feststellung eines Ausfalls ist man
folglich nicht in der Lage zu wissen, ob der Ausfall vom
überwachten System oder vom Überwachungssystem stammt.
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Im übrigen gibt es in der bekannten Vorrichtung keine
Möglichkeit, den Vergleich in Abhängigkeit der Belastung der überwachten
Gleichrichterbrücke anzupassen.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf, diese Nachteile zu
vermeiden.
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Hierzu ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung der
vorgenannten Bauart, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Mittel
zur Erfassung die zeitweilige Überschreitung einer unteren
Schwelle durch die Ausgangsspannung des Gleichrichters erfassen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere leicht,
einfach, zuverlässig und bringt vergleichsweise geringe Kosten mit
sich, indem die Unterbrechung irgendeiner der Dioden der
Gleichrichterbrücke mit Hilfe einer einzigen Überwachungsschaltung für
die Veränderungen der Ausgangsspannung dieses Gleichrichters
erfaßt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht tatsächlich
auf der Tatsache, daß sich der Verlauf der
Wechselspannungskomponente bzw. der Restwelligkeit am Ausgang des Gleichrichters
verändert, wenn eine oder mehrere Dioden unterbrochen sind.
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Insbesondere weist die Welligkeit der Ausgangsspannung, sobald
dies der Fall ist, absteigende Spitzenwerte auf, die sich mit der
Periode der Primärspannung wiederholen.
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Vorzugsweise sind Steuermittel für den Wert der unteren Schwelle
ansprechend auf die Stromstärke am Ausgang des Gleichrichters
vorhanden, so daß der Wert der unteren Schwelle abnimmt, wenn die
Stromstärke zunimmt.
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In diesem Fall ist der Betrieb sicher und ohne Fehlalarm, da die
Amplitude der negativen Spitzen der Ausgangsspannung mit dem
Ausgangsstrom zunimmt. Der Wert der unteren Schwelle wird auf diese
Weise automatisch geregelt, um eine sichere Erfassung zu
erhalten, wie groß auch die Belastung ist.
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Weiterhin ist vorzugsweise ein monostabiler Schaltkreis
vorgesehen, der ansprechend auf das zeitweilige Überschreiten
ausgelöst wird und dessen Zeitkonstante größer ist als die Periode
der durch den Gleichrichter gleichzurichtenden Spannung.
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Auf diese Weise werden eventuelle parasitäre Impulse, die sich
nicht mit der Frequenz der Primärspannung wiederholen, nicht
berücksichtigt.
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Weiterhin sind vorzugsweise Integrationsmittel für den Wert des
Ausgangssignals des monostabilen Schaltkreises vorgesehen, sowie
Mittel zum Vergleich des Ausgangssignals der Integrationsmittel
mit einer oberen Schwelle, die den Alarm im Falle des
Überschreitens der oberen Schwelle durch das Ausgangssignal der
Integrationsmittel auslösen.
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Auf diese Weise wird der Schutz vor Fehlalarmen weiter
verbessert.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand der vorliegenden
Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Überwachungseinrichtung besser verständlich, wobei auf die
beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird, in denen:
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- Fig. 1 ein Schema eines
Gleichrichter-Transformators zeigt, der mit der
erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung
ausgestattet ist,
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- Fig. 2a, 2b und 2c den Verlauf der Ausgangsspannung des
Gleichrichter-Transformators nach Fig.
1 zeigen, und zwar für den Fall, daß
die Anzahl der unterbrochenen Dioden
gleich null, eins oder zwei ist,
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- Fig. 3 ein Blockschaltbild der
Überwachungsvorrichtung nach Fig. 1 zeigt,
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- Fig. 4a bis 4c die zeitlichen Verläufe der Signale
zeigen, die die Arbeitsweise der
Vorrichtung nach Fig. 4 erläutern, und
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- Fig. 5a bis 5d die zeitlichen Verläufe der Signale
nach Fig. 4 und anderer analoger
Signale zeigen, wobei die Zeitdauer größer
ist als in den Darstellungen nach Fig. 4.
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Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein Gleichrichter-Transformator mit
drei Wicklungen 11, 12 und 13 versehen, die eine dreiphasige
Spannung erhalten, hierbei mit 400 Hz, die hinsichtlich ihrer
Transformierung in eine Gleichspannung VC gleichzurichten ist,
welche dazu bestimmt ist, die Ausrüstungsteile zu versorgen und
beispielsweise die Batterien eines Luftfahrzeugs zu laden.
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Hierzu sind sechs Sekundärwicklungen 21, 21', 22, 22', 23 und 23'
vorgesehen, die mit den Primärwicklungen 11, 12 und 13 gekoppelt
sind.
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Die drei Sekundärwicklungen 21, 22 und 23 sind in bekannter Weise
in Dreiecksschaltung angeordnet, wobei jeder der je zwei dieser
Wicklungen gemeinsamen Punkte mit den Bezugszeichen 26, 27 und
28 bezeichnet ist.
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Die drei Sekundärwicklungen 21', 22' und 23' sind in bekannter
Weise in Sternschaltung angeordnet, wobei jedes freie Ende dieser
Wicklungen mit den Bezugszeichen 26', 27' und 28' bezeichnet ist.
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Eine Gleichrichterbrücke weist hierbei 12 Dioden 31, 31', 32,
32', 33, 33', 34, 34', 35, 35', 36 und 36' auf. Die Anoden der
Dioden 31, 32, 33, 34, 35 und 36 sind alle an einen gemeinsamen
Punkt 37 angeschlossen. Die Kathoden der Dioden 31, 32, 33, 34,
35 und 36, die jeweils an die Anoden der Dioden 31', 32', 33',
34', 35' und 36' angeschlossen sind, sind ebenfalls an die Punkte
26, 27, 28, 26', 27' und 28' angeschlossen.
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Die Kathoden der Dioden 31', 32' und 33' sind mit einem Ende der
Induktanzspule 38 verbunden. Die Kathoden der Dioden 34', 35' und
36' sind mit dem anderen Ende der Spule 38 verbunden.
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Die gleichgerichtete Spannung VC ist zwischen dem Punkt 37, der
hierbei mit Masse verbunden ist, und dem mittleren Punkt 39 der
Spule 38 verfügbar. Der Punkt 39 ist an die Anwendungsschaltungen
der gleichgerichteten Spannung VC unter Zwischenschaltung eines
Widerstands 47 mit sehr kleinem Wert angeschlossen.
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Ein elektronischer Schaltkreis 4 ist mit einem ersten Eingang
versehen, an den die Gleichspannung VC angelegt wird, mit einem
zweiten Eingang, an dem die Spannung an den Enden des Widerstands
47 anliegt, sowie mit einem Ausgang, der ein Signal A zur
Ansteuerung des Alarns abgibt, und der aktiv wird, sobald der
Schaltkreis 4 durch Analyse der Wellenform der gleichgerichteten
Spannung VC die Unterbrechung wenigstens einer Diode erfaßt hat.
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In Fig. 2 ist der Verlauf der gleichgerichteten Spannung VC
dargestellt, wenn die zwölf Dioden 31 bis 36 und 31' bis 36' alle
richtig arbeiten. Aus Fig. 2a geht hervor, daß die
Restwelligkeit,
die die Spannung VC aufweist, die Periode T/12 aufweist,
wobei T die Periode der gleichzurichtenden Spannung ist, die
hierbei 1/400 s beträgt.
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Jedes Maximum der Restwelligkeit entspricht der Durchschaltung
jeweils einer Diode.
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In Fig. 2b ist der Verlauf der gleichgerichteten Spannung VC
dargestellt, wenn irgendeine, und zwar nur eine einzige, der Dioden
31 bis 36 und 31' bis 36' unterbrochen ist. In diesem Fall ist
das Maximum der Fig. 2a, welches dem Stromdurchgang durch diese
Diode entspricht, durch eine nach unten gerichtete Spitze
ersetzt. Diese Spitze wiederholt sich mit der Periode T.
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In Fig. 2c ist der Fall dargestellt, daß zwei Dioden unterbrochen
sind. In diesem Fall gibt es zwei absteigende Spitzen innerhalb
jeder Periode T. Wenn mehrere Dioden unterbrochen wären, gäbe es
mehrere absteigende Spitzen innerhalb jeder Periode T. Es sei
bemerkt, daß wenn man die absteigenden Spitzen als negative Werte
bezeichnet, wenn man seinen Standpunkt auf die Restwelligkeit
verlegt, die auf den Gleichanteil der Spannung VC zentriert ist,
diese hinsichtlich ihres absoluten Werts dennoch kleiner oder
gleich dem Wert dieser Gleichkomponente bleiben, was bewirkt, daß
die Spannung VC niemals ihr Vorzeichen ändert.
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Der elektronische Schaltkreis 4 ist dafür eingerichtet, wie
nachfolgend erläutert werden wird, um die zeitweilige
Überschreitung einer unteren Schwelle SB durch die gleichgerichtete
Spannung VC zu erfassen, die so gewählt ist, daß sie unterhalb
des Minimalwerts der Spannung VC im Fall der Fig. 2a ist, während
sie größer ist als die Werte, die die Spannung VC während der
negativen Spitzen der Fig. 2b und 2c annimmt.
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Hierzu und unter Bezugnahme auf Fig. 3 weist der Schaltkreis 4
zunächst einen Amplitudenkomparator 42 auf, dessen erster Eingang
das Signal des ersten Eingangs des Kreises 4 aufnimmt, d.h. die
Spannung VC. Der Amplitudenkomparator 42 weist einen zweiten
Eingang auf, der eine Spannung SB aufnimmt, die die untere
Schwelle repräsentiert, von der die Rede war, sowie einen
Ausgang, der ein Signal C abgibt.
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Ein differentieller Operationsverstärker 41 verstärkt das Signal
auf dem zweiten Eingang des Schaltkreises 4, welches die Spannung
an den Enden des Widerstands 47 ist, die den von den
Anwendungsschaltungen verbrauchten Strom widerspiegelt. Der Ausgang des
Verstärkers 41 liegt am ersten Eingang eines Summierers 42,
dessen zweiter Eingang eine feste Spannung VF erhält und dessen
Ausgang das Signal SB abgibt.
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Ein monostabiler Schaltkreis 43 erhält auf seinem Auslöseeingang
das Signal C und gibt am Ausgang ein Signal M ab.
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Ein Integrator 44 integriert das Signal M, um das Signal I
abzugeben, das in einem Amplitudenkomparator 45, dessen Ausgang das
Signal A abgibt, mit einer Spannung SH verglichen wird, welche
eine obere Schwelle darstellt.
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Die Arbeitsweise der Schaltung 4, die vorstehend beschrieben
wurde, ist wie folgt, wobei insbesondere auf Fig. 4 und 5 bezug
genommen wird.
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In Fig. 4a ist einerseits der Verlauf der gleichgerichteten
Spannung VC und andererseits der der Spannung SB der unteren Schwelle
dargestellt. Die zeitweilige Überschreitung der unteren Schwelle
SB durch die Spannung VC, die für die Unterbrechung wenigstens
einer Diode charakteristisch ist, wird durch den Komparator 42
erfaßt. Das Signal C, wie dies die Fig. 4b und 5a zeigen, stellt
sich daher als eine Impulsfolge dar, die sich mit der Periode T
wiederholt, welche hierbei gleich 400 Hz ist, in den Falle, daß
eine einzige Diode unterbrochen ist.
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Die Impulse des Signals C lösen den monostabilen Schaltkreis 43
aus, dessen Zeitkonstante größer als die Periode T ist, was
bewirkt, daß der monostabile Schaltkreis 43, wenn die absteigenden
Spitzen der Spannung VC permanent vorhanden sind, seinen Ausgang
M auf hohem Niveau hält, wie Fig. 4c und 5b zeigen. Der
Integrator 44, der eine Zeitkonstante von mehreren Sekunden hat,
verzögert die Auslösung des Alarms, bis die Spannung I die obere
Schwelle SH überschreitet, wie Fig. 5c und 5d zeigen, die jeweils
den Verlauf der Spannung I und den der Spannung A zeigen.
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Um einen ordnungsgemäßen Betrieb für alle möglichen Werte des
Ausgangsstroms zu gewährleisten, steuern der Verstärker 41 und
der Summierer 46 den Wert der unteren Schwelle SB ansprechend auf
den Wert des Ausgangsstroms, so daß der Wert der unteren Schwelle
abnimmt, wenn die Stromstärke zunimmt, wobei die Spannung SB die
algebraische Summe der konstanten bzw. feststehenden Spannung VF
und der Ausgangsspannung des Verstärkers 42 ist, die den zur
Anwendung abgegebenen Strom widerspiegelt. Der Wert der Amplitude
der absteigenden Spitzen vergrößert sich nämlich mit dem
Ausgangsstrom.
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Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die
vorstehend gegebene Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
beschränkt.
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Es ist daher möglich, in Reihe mit jeder der Dioden 31 bis 36 und
31' bis 36' einen Transformator anzuordnen, dessen Sekundärseite
ein Abbild des Stroms liefert, der durch diese Diode geht. Am
Ausgang eines jeden dieser zwölf Transformatoren ordnet man eine
Schaltung zur Überwachung des Stromverlaufs an, wobei eine
unterbrochene Diode dadurch erfaßt wird, daß der Strom, der durch
diese hindurchgeht, konstant gleich null ist, während eine Diode
in ordnungsgemäßem Zustand von einem Wechselstrom durchflossen
wird. Die Ausgänge der zwölf Überwachungsschaltkreise sind mit
einem Logikschaltkreis verbunden, der dazu dient, die Auslösung
eines Fehlalarms zu verhindern, wenn der Ausgangsstrom gleich
null ist. da dann der Strom in jeder der Dioden gleich null ist,
selbst wenn diese Diode in ordnungsgemäßem Zustand ist. Der
Logikschaltkreis hebt die Mehrdeutigkeit auf, indem er den Alarm
nicht auslöst, wenn die zwölf Ströme gleich null sind oder wenn
der Ausgangsstrom selbst gleich null ist.
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Eine solche Ausführungsform, die zwölf Transformatoren, zwölf
Überwachungsschaltkreise sowie einen Logikschaltkreis zur
Aufhebung der Mehrdeutigkeit einsetzt, hat allerdings einen größeren
Platzbedarf, ist schwerer und kostet vergleichsweise mehr und ist
weniger zuverlässig als die bevorzugte Ausführungsform, die
vorstehend beschrieben worden ist.
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Die Anwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen
Überwachungseinrichtung sind natürlich nicht auf Luftfahrzeuge oder auf
dreiphasige Gleichrichter-Transformatoren mit einer sekundärseitigen
Stern- bzw. Dreiecksschaltung begrenzt, die beispielhaft
beschrieben worden ist. Die Erfindung ist von besonderem Nutzen in
Fällen, in denen eine größere Anzahl von Dioden vorliegt. d.h.
für jeden Mehrphasen-Gleichrichter.