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"Verfahren zum Zwangslöschen eines Thyristors" Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Zwangslöschen eines Thyristors in einem Gleichstromkreis, wobei
ein im Nebenschluß des Thyristors induktiv erzeugter Löschspannungsimpuls an den
Thyristor geschaltet wird und ein dabei verwendeter Kondensator nicht die Funktion
eines Löschkondensators hat.
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Nach diesem Verfahren wird ebenso wie bei der auf R.
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Tröger (Thyratronlöschung) zurückgehenden Grundschaltung für das Zwangs
löschen eines Thyristors mit Hilfe eines Löschkondensators ein Löschspannungsimpuls
im Nebenschluß des zu löschenden Thyristors erzeugt und an diesen geschaltet. Löschschaltungen
entsprechend dieser Grundschaltung mit einem Lösch- oder Kommutierungskondensator
werden allgemein verwendet bei Stromrichter mit Thyristoren. Wesentlich bei den
verschiedenen Anwendungen der Kondensator-Löschschaltung ist immer, daß in dem Zeitpunkt,
in welchem ein Thyristor gelöscht werden soll, der zugeordnete Löschko
Ddensator
löschbereit geladen sein muß. Die Löschbereitschaft des Löschkondensators ist daher
während des Betriebs und in vielen Fällen sogar vor Inbetriebnahme einer Thyristoranlage
stdndig zu überwacheü. Hierfür sind elektrische nberwachungs- und Signalisierungseinrichtungen
erforderlicb, derea Signale in das Steuersystem der Anlage übertragen und für eine
betriebssichere Steuerung ausgewertet werden. Bei Einlagen mit tielen Thyristoren
kann der Aufwand für diese Überwachung und für die Steuerung mitunter recht groß
werden. Bei Einlagen der Leistungselektronik spricht ferner die Kapazitätsgröße
der verwendeten Löschkondensatoren eine Rolle denn es ist die erforderliche Kapazität
dieser Kondensatoren bezogen auf eine Jeweils gleichgroße Ladespannung proportional
den Produkt aus der Arbeitsstromstärke und der Fretwerdezeit der Thyristoren.
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Werden bei einer leistungselektronischen Anlage die Thyritoren in
Pulabetrieb mit Pulsfrequenzen im Bereich von 400 bis su einigen Tausend Hertz geschaltet,
dann entstehen in den Löschkon4ensatoren, und nicht nur in diesen, große Vereluate,
Bei Thyristoren können die Verluste durch geeignete Beschaltung, bei Drosseln durch
wirbelstromfreies Kernmaterial gering gehalten werden. Löschkondensatoren können
nur durch geeignete Konstruktion und çeeignetes Material sowie durch unhandliche
Baugrößen verlustarm gemacht werden.
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In der Leistungselektronik ist die Verwendung des Kondensator-Löschverfahrens
vorherrschend. Verwendet wird ferner ein Löschverfahren mit einer Schaltung, bei
der der Thyristor mit einem Schwingkreis verbunden ist, in dem ein Kondensator wie
ein Löschkondensator arbeitet und mit Hilfe einer Drossel umgeladen wird, und bei
der der Thyristor beim Zurückschwingen des Stromes gelöscht wird.
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Nt Ein Thyristor kann bekanntlich auch durch eine induktiv ereug{te
Spannung gelöscht werden4 indem die ;dschspannung aus einem Kondensator oder aus
einem Generator mittels eines em Thyristor in Reihe geschalteten Transformators
in den Stromkreis eingeprägt wird.
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Es ist ferner eine Anordnung zur Zwangskommutierung eines Thyristorwechselrichters
mit Freilaufdioden bekannt, bei der die Löschspannungsimpulse für die Thyristoren
über Löschtransformatoren, zu die in den Freilaufstromkreisen der Thyristoren liegen,
erzeugt werden, so daß die Löschspannungsimpulse in die Freilaufstromkreise des
Wechselrichters induziert werden. Diese Anordnung hat gegenüber Löschschaltungen
mit einem Löschkondensator den Vorzug, daß die bei Einleitung der Kommutierung an
der Last liegende Spannung nicht um die Spannung eines Xommutierungskondensators
erhöht wird und daß auch die in Sperrichtung wirkende Spannung an den Freilaufdioden
nicht um den gleichen Betrag erhöht wird. Ferner ist bei der bekannten Anordnung
der Löschstromkreis vom Ärbeitsstromkreis durch den Löschtransformator galvanisch
getrennt, was für Hochspannungswechselrichter von Bedeutung ist. Es sind Jedoch
in den Primärstromkreisen der Löschtransformatoren vier Hilfsthyristoren erforderlich,
von welchen zwei Thyristoren selbst zwangsweise gelöscht werden müssen. Löschschaltungen,
bei denen wie eingangs erwähnt die Löschspannung induktiv an einem im Nebenschluß
des Thyristors geschalteten Transformator erzeugt wird, sind ebenfalls schon bekannt.
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Beispielsweise ist ein Wechselrichter mit zwei Xhyristoren in Gegentaktschaltung
bekannt, bei dem der Jeweils stromführende Thyristor beim Zünden des stromfreien
Thyristors gelöscht wird (Phasenfolgelöschung). Bei Jedem hyristor wird der Löschspannungsimpuls
auf eine ertiärwicklung des Zündübertragers übertragen, die mit einem
Kondensator
in Reihe geschaltet den Nebenschluß des Thyristors bildet. Hierbei hat der Kondensator
nicht die Funktion eines Löschkondensators. Wegen der Gegentaktschaltung können
die beiden Thyristoren nicht unabhängig voneinander gezündet und gelöscht werden,
die Wechselrichterspannung kann daher nicht durch Steuerung des Wechselrichters
verändert werden. Ferner können mit den Zündübertragern nur kurzzeitige Löschspannungsimpulse
erzeugt und daher nUr Thyristoren mit kleiner Freiwerdezeit gelöscht werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Löschverfahren anzugeben,
durch das mit Löschschaltungen, bei denen ein Löschtransformator im Nebenscjiluß
des zu löschenden Thyristors geschaltet ist, der betreffende Thyristor in Jedem
beliebigen Zeitpunkt gelöscht werden kann und das auch für Thyristoren mit größerer
Freiwerdezeit und für größerer Arbeitsstromstärke als bei dem vorerwähnten bekannten
Wechselrichter verwendbar ist, ein Löschverfahren, das ferner mit einer geringen
Anzahl von Hilfsthyristoren durchgeführt werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung darin, daß der
Löschspannungsimpuls in der Sekundärwicklun& eines sättigbaren Löschtransformators,
die in bekannter Weise im Nebenschluß des Thyristors liegt, durch Zünden eines die
Primärwicklung dieses Transformators über ein Strombegrenzungselement an die Spannungsquelle
des Gleichstromkreises schaltenden Löschthyristors erzeugt und durch einen kurz
nach dem Löschthyristor gezündeten zweiten Thyristor auf den zu löschenden Thyristor
geschaltet wird und daß der Strom durch das Strombegrenzungselement kurz vor oder
bei beginnender Sättigung des Löschtransformators unterhalb der Haltestromstärke
des Löschthyristors begrenzt wird und der Rückmagnetisierstrom der Transformator-Sekundärwicklung
geringer als die Haltestromstärke des zweiten Thyristors bemessen ist.
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Eine Ausbildung des Verfahrens nach der Erfindung ergibt sich durch
die Verwendung eines Kondensators als Strombegrenzungsmittel, welcher zum Rückmagnetisieren
des I,öschtransformators über eine die Primärwicklung und den Thyristor verbindende
Gleichrichterdiode beim Wiederzünden des Thyristors entladen wird.
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Um bei Verwendung eines Kondensators als Strombegrenzungsmittel die
Rückmagnetisierung des Löschtransformators in einem beliebigen Zeitpunkt zwischen
Löschung und Wiederzünden des gelöschten Thyristors zu ermöglichen, ist entsprechend
einer weiteren Ausbildung des Verfahrens nach der Erfindung vorgesehen, daß der
Kondensator mittels eines dritten Thyristors, welcher beim Zünden die Primärwicklung
des Löschtransformators an den Kondensator schaltet, entladen wird.
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Eine Löschschaltung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
kann bei Verwendung von nur zwei Hilfsthyristoren in der Weise ausgestaltet sein,
daß der Löschthyristor ebenfalls im NebenschlußstrompSad des zu löschenden Thyristors
geschaltet ist.
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Eine Vereinfachung dieser Löschschaltung mit dem Kennzeichen, daß
sie nur einen Hilfsthyristor, nämlich den Löschthyristor enthält, ergibt' sich unter
bestimmten Voraussetzungen, die unten erläutert werden.
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Des weiteren werden dort einige Abwandlungen des Verfahrens nach
der Erfindung erläutert werden.
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Es sei hier bemerkt, daß die angegebene Verwendung eines Kondensators
als Strombegrenzer den Rahmen der Erfindung nicht bezüglich dieses Kondensators
einschränkt. Als Strombegrenzer verwendbar sind auch Stromkreiselemente,
Beschaltungen
und Schaltungseinrichtungen anzusehen, mit welchen bei der Erzeugung des Löschspannungsimpulses
der Strom in der Primärwicklung des Transformators und bei der Rückmagnetisierung
desselben der Strom in der Sekundärwicklung bei oder noch vor Sättigung des Transformators
entsprechend herabgesetzt werden kann.
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Das Löschverfahren gemäß der Erfindung ermöglicht die Einzellöschung
von Thyristoren. Dies schließt nicht aus, daß es auch für Summenlöschung mehrerer
nicht gleichzeitig gelöschter Thyristoren oder Thyristorengruppen, z.B. bei einem
Stromrichter, verwendbar ist. Hierfür kann das Löschverfahren so abgewandelt werden,
daß auch der bei der Rückmagnetisierung des töschtransformators erzeugte Spannungsimpuls
zur Löschung von Thyristoren ausgenutzt wird.
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An Hand der Figur 1 bis 3 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit Löschschaltungen für Einzellöschung eines Thyristors beschrieben,
bei denen Kondensatoren als Strombegrenzer vorgesehen sind. An Hand der Figur 4
wird ein Ausführungsbeispiel' einer bei einem Wechselrichter verwendeten Löschschaltung
für Einzellöschung erläutert.
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Die Löschschaltungen nach den Figuren 1 bis 3 sind somit je einem
Thyristor 1 zugeordnet, welcher in einem einfachen Gleichstromkreis in Reihe geschaltet
ist mit einer Gleichstromquelle G und einer Last L. Diese Löschschaltungen sind
gemeinsam dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenschluß des Thyristors 1 die Sekundärwicklung
42 eines Löschtransformators 4 und ein Hilfsthyristor 3 in Reihe geschaltet sind
und daß ferner eine Reihenschaltung bestehend aus einem Löschthyristor 2, einem
Kondensator K und der Primärwicklung 41 des Transformators 4 direkt an die Gleichstromquelle
G angeschlossen ist. Die Thyristoren 2 und 3 haben in Bezug auf die Gleichspannungsquelle
G die gleiche Polung wie der Thyristor 1. Der Löschtransformator ist sättigbar und
hat
einen Trafokern mit rechteckförmiger Magnetisierungscharakteristik.
Induktionshub 8 B und Querschnitt q des Traf okerns sind so groß gewählt, daß der
Löschtransformator eine zum Löschen des Thyristors 1 ausreichender Spannungs -Zeit-Fläche
aufweist. Wenn unter dieser Voraussetzung der Transformator in die Remanenzlage
magnetisiert ist, welche durch einen in der Durchlaßrichtung des Thyristors 3 oder
durch einen in der Rückwärtsrichtung des Thyristors 2 fliessenden Nagnetisierungsstrom
erreicht wird, so wird mit dem Zünden des Löschthyristors 2 ein über die Primärwicklung
41 in dem Kondensator K fliessender Stromimpuls eingeschaltet, wobei der Kern des
Transformators 4 ummagnetisiert und an der Sekundärwicklung 42 ein Spannungsimpuls
mit Löschpo--lari-8ik erzeugt wird. Durch Zünden des zweiten Thyristors 3 kurz nach
Zünden des Löschthyristors 2 und Entstehung des Löschimpulses wird der Löschspannungsimpuls
in der Rückwärtsrichtung an den Thyristor 1 geschaltet. Dieser wird sodann gelöscht,
da voraussetzungsgemäß die Dauer des Löschspannungsimpulses länger als die Freiwerdezeit
des Thyristors ist. Nach der Entstehung des Löschspannungsimpulses ist der Löschtransformator
kurzzeitig (einige /us) durch den Ausräumstrom des Thyristors 1 belastet. Dieser
Strom fließt in der Rückwärtsrichtung des Thyristors 1 und im Nebenschluß desselben
in der Durchlaßrichtung des Thyristors 3. Nach Beendigung des Ausräumstromes besteht
der Löschspannungsimpuls weiter, der Löschtransformator wird daher weiterhin durch
einen Stromimpuls , dessen Größe von der (wegen der zunehmenden Spannung am ondensator
K) etwa dreieckförmig abfallenden Löschspannung und vom Widerstand der Last L abhängt
Dieser Stromimpuls fließt von der Sekundärwicklung 42 über die Last L und weiter
über eine zwischen dem negativen Pol der Stromquelle G und der Kathode des Löschthyristors
2 geschaltete Diode 5 und den Thyristor 7 in die Sekundärwicklung zurück
Die
Kapazität des Kondensators K ist so zu bemessen, daß dieser nach erfolgter Ummagnetisierung
und bei Sättigung des Transformatorkerns auf die Spannung der Gleichstromquelle
G geladen ist, so daß der Ladestrom verschwindet und der Löschthyristor 2 selbsttätig
sich löscht. Es ist ferner der Magnetisierungsstrom des Löschtransformators kleiner
als der Haltestrom des zweiten Thyristors 3 zu halten, damit nach Beendigung des
Löschimpulses der Löschtransformator unter dem Einfluß der Spannung des Kondensators
und der Gleichstromquelle nicht über diesen Thyristor 3 sowie über die Last rückmagnetisiert
werden kann, da der zweite Thyristor sich dann selbst löscht.
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Die Rückmagnetisierung erfolgt erst beim Wiederzünden des Thyristors
1. Dabei wird der Kondensator K über die Primärwicklung 41 des Transformators 4,
den Thyristor 1 und die Last entladen. Dabei wird der Entladestrom auf den Magnetisierungsstrom
der Primärwicklung 41 begrenzt, dieser kann somit auf den gezündeten Thyristor 1
nicht als gefährlicher "Inrush-Stromstoß" wirken. Der Löschvorgang ist nach Beendigung
des Löschspannungsimpulses beendet. Der gelöschte Thyristor ist dann bekanntlich
wieder in der Vorwärtsrichtung sperrfähig. Bei Durchführung des beschriebenen Löschverfahrens
kann der gelöschte Thyristor auch sofort wieder gezündet und sonach mit hoher Schaltfrequenz
geschaltet werden. Der dann etwa noch stromleitfähige Thyristor 3 wird dabei durch
die Rückmagnetisierspannung der Sekundärwicklung 42 zwangsweise gelöscht.
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Als Kernmaterial für den Transformatorkern kommen weichmagnetische
Stoffe mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand in Betracht, um die
Kernverluste klein zu halten.
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Als Kernmaterial geeignet sind Massivkerne aus Ferrit, beispielsweise
Material mit der Handelsbezeichnung Ferroxcube (Valvo) und Hyperox (Krupp-Widia)
sowie auch Dünnband- bzw.
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Folienbandkerne aus hochlegierten Werkstoffen mit der Handelsbezeichnung
Permenorm und Vacoflux (VAC)o Letztere
haben gegenüber den erstgenannten
den Vorzug, daß sie einen zwei- bis dreifachen Induktionshub Bs, z.B0 etwa 30 KG
aufweisen. Der Transformatorkern besteht aus einer Anzahl aufeinander geschichteter
Ringkerne, die zusammen den erforderlichen Eernquerschnitt ergeben. Die Transformatorwicklungen
41 und 42 können in der Weise ausgeführt sein, daß Je ein Stromleiter durch den
Ringkernstapel hindurchgeführt ist (Einleitertransformator) oder daß Je ein Stromleiter
gegebenenfalls auch zwei- oder mehrfach nach Art einer Wicklung hludurchgefuhrt.
Die Stromleiter können geringe Querschnitte haben.
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Bei einer nach Figur 1 ausgeführten Löschschaltung ist der Primärstromkreis
des Löschtransformators 4 mit den Elementen Löschthyristor 2 und Kondensator K vom
Sekundärkreis getrenatO Hierbei ist dem Thyristor 2 wie ersichtlich eine Diode 6,
über welche der Entladestrom des Kondensators fließt, antiparallel geschaltet. Die
Diode 6 ist mit der oben erwähnten Diode 5 gleichsinnig in Reihe geschaltet und
wird zusammen mit dieser duch die Spannung der Gleichstromquelle G in der Sperrichtung
vorgespannt.
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Im Unterschied zur Schaltung nach Figur 1 fällt bei einer nach der
Figur 2 ausgeführten Löschschaltung die Diode 6 weg. Bei dieser Schaltung ist ein
dritter Hilfsthyristor 60 vorgesehen, welcher nach Löschung des Thyristors 1 gezündet
wird, um die Rückmagnetisierung des Transformators 4 unabhängig vom Löschzeitpunkt
des Thyristors 1 zu ermöglichen.
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Hingegen liegt bei einer nach Figur 3 ausgeführten Löschschaltung
der Löschthyristor 2 mit im Nebenschluß des Thyristors 1 und ist daher mit dem Hilfsthyristor
3 und mit der Sekundärwicklung 42 des Löschtransformators in Reihe geschaltet. An
der Kathode des Löschthyristors
zweigt der Primärstromkreis vom
Nebenschluß oder Sekundärstromkreis des Transformators ab. Wie in der Schaltung
nach Figur 1 ist hier eine Diode 6 dem Löschthyristor 2 antiparallelgeschaltet.
Bei der Schaltung nach Figur 3 wird der Thyristor 3 ebenfalls kurz nach dem Löschthyristor
gezündet. Der Ausräumstrom des Thyristors 1 fließt dann auch über den Löschthyristor.
Bei dieser Schaltung kann mit Hilfe einer Induktivität 7 und eines Widerstandes
8, die in Figur 3 gestrichelt angegeben sind, der Kondensator K auf eine höhere
Spannung als die Spannung der Gleichstromquelle G geladen werden, so daß nach Beendigung
des Löschspannungsimpulses das Löschen des Löschthyristors durch eine Gegenspannung
unterstützt wird. In diesem Falle kann dann der Transformator 4 durch den Entladestrom
des Kondensators K auch sofort über den Thyristor 3 rückmagnetisiert werden, sofern
dessen Haltestrom nicht größer ist als der halbe Magnetisierungsstrom des Transformators
4 mit einem Windungszahlverhältnis von 1.
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Eine Vereinfachung der Schaltung nach Figur 3 ergibt sich durch Wegfall
des Hilfsthyristors 3 und Bestehen nur eines Löschthyristors 2 unter der Voraussetzung,
daß nach dem Zünden des Löschthyristors 2 ein geringer Strom durch die Sekundärwicklung
42 und die Last L fließt als durch die Primärwicklung in den Kondensator K, was
beispielsweise bei entsprechend großem Lastwiderstand der Fall sein kann. Es wird
dann die Ummagnetisierung des Transformators 4 durch den Primärstrom erzwungen.
Nach Beendigung des Löschimpulses kann der Löschthyristor wie vorher beschrieben
zwangsweise oder durch Selbstlöschung gelöscht werden, indem zur Selbstlöschung
der Magnetisierungsstrom des Transformators 4 kleiner gewählt wird als der Haltestrom
des Löschthyristors. Die Rückmagnetisierung des Transformators 4 erfolgt in beiden
Fällen gleich nach Beendigung des Löschspannungsimpulses.
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Die Löschschaltungen nach den Figuren 1 und 2 können ferner an einem
Teil der Spannung der Stromquelle oder an einer gesonderten Stromquelle betrieben
werden. Dabei ist der Primärstromkreis des Löschtransformators an eine Teilspannung
der Stromquelle bz9. an die gesonderte Stromquelle angeschlossen. Bei Betrieb an
einer Teil spannung' kann mit einem Traf kern vorgegebener Spannungs-Zeit-Fläche
ein entsprechend längerer Löschimpuls als bei Betrieb an der ganzen Spannung erzeugt
werden oder es kann für eine vorgegebene Impulsdauer der Traf kern entsprechend
verkleinert werden.
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Bei Betrieb an einer gesonderten Stromquelle ist der Primärstromkreis
vom Gleichstrombetriebskreis galvanisch getrennt, was für die Verwendung der beschriebenen
Löschschaltungen bei Hochspannungs-Thyristorstromkreisen von Vorteil ist.
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Aus dem Vorangehenden wird klar, daß das Löschverfahren gemäß der
Erfindung mit verschiedenen Varianten von Löschschaltungen durchführbar ist. Verwendungsmöglichkeiten
des Verfahrens sind voraussichtlich bei thyristorisierten Gleichströmschaltkreisen
und Wechselrichtern gegeben. An sich handelt es sich wie schon gesagt um ein Verfahren
für Einzellöschungen von Thyristoren. Auf die Verwendbarkeit des Löschverfahrens
für eine Phasenfolgelöschung bei einer Gegentaktschaltung mit zwei Thyristoren wurde
oben bereits hingewiesen. Die Löschschaltung nach Figur 1 beispielsweise kann in
die vorerwähnte Gegentaktschaltung, d.h. in einen Wechselrichter, verwandelt werden,
indem der Thyristor 3 als Thyristor der Gegenphase und der Löschthyristor 2 zur
Löschung des Thyristors 1 vorgesehen werden (Figur 4). Der Löschtransformator 4
ist den beiden Thyristoren 1 und 3 gemeinsam zugeordnet und ist primärseitig in
Mittelpunktschaltung ausgeführt, ebenso ein übertrager 2 für die mit der Gegentaktschaltung
erzeugten Wechselspannung9 der an eine Last angeschlossen ist. Ein zweiter Löschthyristor
2' ist zur Löschung des Thyristors 3 und anstelle der Diode 6 nach Figur 1 zur Rückmagnetisierung
des Löschtransformators 4 erforderlich