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Hochfrequenzofen mit einer gittergesteuerten Elektronenröhre und einer zur Gleichstromspeisung der Elektronenröhre dienenden
Gleichrichtervorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenzofen mit einer rückgekoppelten gittergesteuerten Elektronenröhre und einer für die Gleichstromspeisung der Elektronenröhre dienenden Gleichrichtervor- richtung mit einem durch die Netzwechselspannung gespeisten Speisetransformator, bei dem jedes Ende einer Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit der ersten Gleichstromspeiseleitung verbunden ist, während die zweite Gleichstromspeiseleitung über eine Verbindungsleitung mit einem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators verbunden ist. Die Gleichrichtervorrichtung kann hiebei zum Gleichrichten einer einphasigen oder einer dreiphasigen Speisewechselspannung ausgebildet sein.
Für die verschiedenen Anwendungen besteht bei solchen Hochfrequenzöfen neben einer Regelung der Ausgangsleistung für die Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken unterschiedlicher Art und Grösse auch das Bedürfnis, einen bestimmten Erhitzungsverlauf zu bewirken. Insbesondere wird z. B. zum Härten. hoch- wertiger legierter Stähle, für das Gettern von Elektronenröhren u. dgl. zusammen mit der allmählichen Erhitzung eine kurzzeitige, schnelle Erhitzung verlangt, die wenige Sekunden oder wenige Zehntel Sekunden dauern kann.
Die Erfindung bezweckt, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die sich in der Praxis durch ihre Einfachheit und ihre günstigen Eigenschaften vorteilhaft auszeichnet.
Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Gleichstromspeiseleitung und jedem der Enden der Sekundärwicklung des Speisetransformators auch ein steuerbarer Gleichrichter angebracht ist und dass jeder steuerbare Gleichrichter an einem Steuerspannungsgenerator verbunden ist, der die Freigabe und Sperrung des steuerbaren Gleichrichters steuert, während in der Verbindungsleitung zwischen Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators und der zweiten Gleichstromspeiseleitung ein Gleichrichter angebracht ist, der mit der zweiten Gleichstromspeiseleitung in der gleichen Stromdurchlassrichtung verbunden ist, wie die mit dieser Gleichstromspeiseleitung verbundenen steuerbaren Gleichrichter.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Hochfrequenzofen nach der Erfindung, während Fig. 2 einen beim Hochfrequenzofen nach Fig. 1 anzuwendenden Steuerspannungsgenerator darstellt.
Fig. 1 zeigt einen Hochfrequenzofen für induktive Erhitzung nach der Erfindung, der z. B. für eine Leistung von 6 kW eingerichtet ist.
In dieser Anlage wird die für Erhitzungszwecke erforderliche Hochfrequenzenergie einem Elektronenröhrenoszillator mit einer. Triode 1 entnommen. Der abgestimmte Anodenkreis des als Colpitts-Schaltung ausgebildeten Oszillators ist mit einem die Oszillatorfrequenz bestimmenden Schwingungskreis 2 versehen, der eine Kreisspule 3 und eine aus vier in Reihe geschalteten Kondensatoren 4, 5, 6,7 bestehende Kreiskapazität enthält, wobei die Anode der Röhre 1 mit dem Verbindungspunkt der Kondensatoren 4 und 5 verbunden ist, während die Rückkopplungsspannung dem Kondensator 7 entnommen wird, dessen eines Ende über einen Kondensator 8 an der Kathode der Röhre 1 und dessen anderes Ende über einen Kondensator 9 am Steuergitter der Röhre l liegt, welches über den Gitterwiderstand 10 mit der Kathode verbunden ist.
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Die beim Schwingen erzeugte Hochfrequenzenergie wird über eine Kopplungsspule 11 mit geerdeter Mittelanzapfung einer Arbeitsspule 12 zugeführt, in der ein zu erhitzende Werkstück 13 angeordnet ist.
Bei der beschriebenen Vorrichtung wird die Gleichstromspeisung der Triode 1 über in den Gleichstromspeiseleitungen liegenden Hochfrequenzdrosselspulen 14 und 15 der Anode und der Kathode der Triode 1 zugeführt, während der Verbindungspunkt der Kreiskondensatoren 5 und 6, der auch die Mittelanzapfung des kapazitiven Spannungsteilers 4, 5,6, 7 bildet, an Erde liegt, so dass die Enden der Kreisspule 3 in bezug auf Erde die halbe Kreisspannung führen. Infolgedessen kann der Abstand zwischen der Kreisspule 3 und der Kopplungsspule 11 ohne Isolationsschwierigkeiten klein gehalten werden, wodurch sich eine erhebliche Herabsetzung der Streuverluste in dem aus der Kreisspule 3 und der Kopplungsspulell bestehenden Ausgangstransformator ergibt.
Zur Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken unterschiedlicher
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sie in der USA-Patentschrift Nr. 2, 662, 162 angegeben ist.
Die Speisegleichspannung der Triode 1 wird einer Gleichrichtervorrichtung entnommen, die durch eine dreiphasige Wechselspannung von z. B. 3 X 380 V gespeist wird. Die Gleichrichtervorrichtung ist mit einem Speisetransformator mit in Dreieck geschalteten Primärwicklungen 16, 17,18 und in Stern geschalteten Sekundärwicklungen 19, 20,21 versehen, wobei das Ende jeder Sekundärwicklung 19, 20,21 über eine Diode 22,23, 24 mit der ersten Gleichstromspeiseleitung 25 und der Sternpunkt 26 über eine Verbindungsleitung27 an die zweite Gleichstromspeiseleitung 28 angeschlossen ist, die ein Glättungsfilter mit einer Reihendrosselspule 29 und einem Querkondensator30 enthält Hiebei ist der Verbindungspunkt 31 der Verbindungsleitung 27 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 an Erde gelegt.
Zur Bedienung der Gleichrichtervorrichtung ist an die Klemmen 32 einer einphasigen Wechselspannungsquelle von z. B. 220 V ein Bedienungskreis angeschlossen, der die Reihenschaltung eines Bedienungschalters 33 und der Erregerwicklung eines Relais A enthält, dessen Relaiskontakte a < , a2, aux in den Zuführungen 34, 35, 36 für die Speisewechselspannung zu den Primärwicklungen 16, 17,18 des Speisetrans- formators liegen. Wird der Bedienungsschalter 33 geschlossen, so wird das Relais A erregt und die Speisewechselspannung der Gleichrichtervorrichtung zugeführt, während umgekehrt, wenn der Bedienungsschalter 33 geöffnet wird, der Speisekreis der Gleichrichtervorrichtung unterbrochen wird.
Um den bisher geschilderten Hochfrequenzofen, der sich zur Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken unterschiedlicher Art und Grösse eignet, auf einfache Weise auch für ein sehr schnelles Erhitzungsverfahren, wie es z. B. zum Härten von Stahl verlangt wird, geeignet zu machen, ist gemäss der Erfindung zwischen der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 und jedem der Enden der Sekundärwicklungen 19,20, 21 des Speisetransformators auch ein steuerbarer Gleichrichter 37,38 bzw. 39 angebracht und jeder steuerbare Gleichrichter 37, 38, 39 mit einem Steuerspannungsgenerator 40 verbunden, der die Freigabe und Sperrung des steuerbaren Gleichrichters 37, 38 bzw.
39 steuert, während in der Verbindungsleitung 27 zwischen dem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 ein Gleichrichter (Diode 41) angebracht ist, der mit der zweiten Gleichstromspeiselei- tung28 in der gleichen Stromdurchlassrichtung verbunden ist, wie die mit dieser Gleichstromspeiseleitung verbundenen steuerbaren Gleichrichter 37, 38,39.
Bei der beschriebenen Ausführungsform bestehen die steuerbaren Gleichrichter 37. 38,39 aus Gasentladungsröhren mit Steuerelektroden in Form von Thyratrons, deren Steuerelektroden über Widerstän-
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liegen,nerator 40 verbunden ist. während der Steuerspannungsgenerator einen Schalter 46 mit zwei Schaltkontakten 47, 48 enthält, wobei der Schaltkontakt47 mit der Minusklemme 49 einer Vorspannungsquelle und der Schaltkontakt 48 mit einer an Erde gelegten Klemme 50 verbunden ist.
Die Wirkungsweise der geschilderten Vorrichtung wird jetzt näher erläutert, wobei von dem Zustand ausgegangen wird, in dem der Schalter 46 des Steuerspannungsgenerators 40 mit der Minusklemme 49 der Vorspannungsquelle verbunden ist. In diesem Zustand sind die Thyratrons 37, 38, 39 durch die Vorspannungsquelle 49 gesperrt. Der dann zwischen der Gleichstromspeiseleitung 25, 28 wirksame Gleichrichterkreis besteht aus den Sekundärwicklungen 19. 20,21 des Speisetransformators, den Dioden 22, 23,24 und der die Diode 41 enthaltenden Verbindungsleitung 27-zwischen dem Stempunkt 26 der Sekundärwicklungen 19, 20, 21 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28, die bei der angegebenen Stromdurchlassrichtung eine leitende Verbindung für den erzeugten Speisegleichstrom bildet.
Am Ausgangskondensator 30 des Glättungsfilters ergibt sich durch Gleichrichtung in den Dioden 22, 23, 24 eine Speisegleichspannung von z. B. 4500 V, die dem Hoehfrequenzofen l als Speisespannung zugeführt wird.
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nimmt zu, wodurch die Spannung des Sternpunktes26 des Transformators gezwungen wird, sich gegenüber Erde in negativer Richtung zu verschieben, so dass die Diode 41 in der Verbindungsleitung 27 zwischen dem Sternpunkt 26 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 gesperrt wird. Im Gleichrichterkreis sind jetzt zusammen mit den Dioden 22,23, 24 die Thyratrons 37,38, 39 wirksam, und es ergibt sich am Ausgangskondensator 30 des Glättungsfilters 29, 30 eine Speisegleichspannung von etwa 9000 V, die das Zweifache der Speisespannung im vorstehenden Fall ist.
Auf diese Weise kann die Ausgangsleitung des Hochfrequenzofens um den Faktor vier gesteigert werden und diese Steigerung führt eine sehr schnellerhitzung des Werkstückes 13 in der Arbeitsspule 11 herbei.
Wird jetzt der Schalter 46 des Steuerspannungsgenerators 40 zum Schaltkontakt 47 zurückgeschaltet, so werden die Thyratrons 37,38, 39 durch die negative Vorspannung der Vorspannungsquelle 49 gesperrt.
Die Spannung am Ausgangskondensator 30 des Glättungsfilters 29,30 nimmt dadurch ab, wobei in dem Zeitpunkt, in dem der Stempunkt 26 der Sekundärwicklungen 19, 20,21 Erdpotential annimmt, die Diode 41 in der Verbindungsleitung 27 vom Stempunkt 26 zur zweiten Gleichstromspeiseleitung28 durchlässig wird, so dass der aus den Dioden 22,23, 24 und den Sekundärwicklungen 19,20, 21 zusammen mit der jetzt leitenden Verbindung27 zwischen dem Stempunkt26 und der zweiten Gleichstromspeiseleitung 28 bestehende Kreis wiederum als Gleichrichtervorrichtung wirkt.
Wie vorstehend erläutert, wirkt die Diode 41 als Schalter, der bei Bedienung des Schalters 46 des Steuerspannungsgenerators 40 genau im richtigen Zeitpunkt gesperrt und freigegeben wird, wodurch Ausgleichsstrv e, die bei Schaltvorgängen auf hohem Leistungsniveau sehr hohe Werte annehmen können, völlig vermieden werden.
Die beschriebene Vorrichtung zeichnet sich durch eine weiche Regelung aus, so dass auch infolge der einfachen Bauart und Bedienung diese praktische Anwendung besonders vorteilhaft ist.
Wichtig ist weiter, dass in den beiden Betriebszuständen der geschilderten Vorrichtung. nämlich dem Betriebszustand, in dem die Dioden 22, 23, 24 zusammen mit den Thyratrons 37,38, 39 wirksam sind, und dem Betriebszustand, in dem nur die Dioden 22, 23,24 wirksam sind, eine gegenseitige unabhängige Speisegleichstromüberwachung auf einfache Weise erzielbar ist, denn im ersten Falle ist die Leitung 27 vom Sternpunkt26 der Sekundärwicklungen 19, 20,21 zum Verbindungspunkt 31 mit der zweiten Gleichstromspeiseleitung infolge der Sperrung der Diode 41 stromlos, während im zweiten Falle die Leitung 51 vom Verbindungspunkt 31 zu den Thyratrons 37, 38, 39 infolge der dabei auftretenden Sperrung dieser Thyratrons 37,38, 39 stromlos ist.
Um somit in diesen beiden Fällen den höchstzulässigen Speisegleichstrom zu überwachen, sind an die Leitungen 27 bzw. 51 Maximalrelais B bzw. C mit Ruhekontaktenb bzw. c im Bedienungskreis der Gleichrichtervorrichtung angeschlossen, wobei die Erregerwicklungen der Relais B bzw. C Reihenwiderstände 52 bzw. 53 überbrücken, die zur Einstellung des Ansprechwertes der Relais B und C einstellbar ausgebildet sind. Übersteigt z. B. der Speisegleichstrom in einem der obenerwähnten Fälle seinen höchstzulässigen Wert. so spricht das Relais B bzw. das Relais C an, wodurch das Bedienungsrelais A abfällt und die Speisewechselspannung der Primärwicklungen 16,17 und 18 des Speisetransformators abgeschaltet wird.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass die Isolation und mithin der Abstand zwischen der Kreisspule 3 und der Kopplungsspule 11 für die höchste auftretende Kreiswechselspannung bemessen sein müssen, d. h. im dargestellten Ausführungsbeispiel für die Kreiswechselspannung, die zur Speisegleichspannung von 9000 V gehört. Bei Anwendung der Massnahmen nach der Erfindung ist der in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzofen, bei dem eine Mittelanzapfung des Ausgangskreises 2 geerdet ist, besonders vorteilhaft, weil, wie vorstehend bereits erläutert wurde, die Streuverluste im Transformator 3, 11 erheblich herabgesetzt werden.
Fig. 2 zeigt einen in der Praxis eingehend geprüften Steuerspannungsgenerator, der in der Vorrichtung nach Fig. 1 vorteilhaft zum Härten von Stahl Verwendung finden kann. Diese Figur zeigt auch den Bedienungskreis der Gleichrichtervorrichtung, wobei der Fig. 1 entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Der Steuerspannungsgenerator ist mit zwei Zeituhren 54 bzw. 55 versehen, die je mit einem Elektromotor 56 bzw. 57, einem Einstellzeiger 58 bzw. 59, einem zwischen Erde 60 und der Minusklemme 61 einer Speisespannungsquelle liegenden Schaltrelais D bzw. E und einem Kupplungsmagneten 62 bzw. 63 versehen sind, wobei die maximale Einstellzeit der Zeituhr 54 z. B. 100 Sekunden und die maximale Einstellzeit der Zeituhr 55 1 Sekunde beträgt. Das Schaltrelais D ist mit einem Arbeitskontakt d im Speise-
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Arbeitskontakt d. in einem Haltekreis 64 des Relais D und einem Umschaltkontakt d4 versehen, mittels dessen die Klemme 65, die mit der Steuerspannungsleitung 45 (vgl. Fig. 1) verbunden ist, an Erde 60 oder an die Minusklemme 61 der Speisespannungsquelle gelegt werden kann.
Das Schaltrelais E enthält einen Ruhekontakt el im Speisekreis des Kupplungsmagneten 63, einen Arbeitskontakt e, in einem Halte-
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kreis 66 des Relais E und einen Ruhekontakt e im Bedienungskteis des Hochfrequenzofens.
Zur Bedienung des Steuerspannungsgenerators ist im Bedienungskreis des Hochfrequenzofens ein Druckschalter 67 angebracht, der durch einen Haltekreis 68 des Bedienungsrelais A unddenimHaltekreis liegenden Ruhekontakt e des Relais E der Zeituhr 55 überbrückt ist. Für die Bedienung des Steuerspannungsgenerators ist das Bedienungsrelais A auch mit zwei zusätzlichen Arbeitskontakten versehen, u. zw. einem Arbeitskontakt a4 im Haltekreis 68 des Bedienungsrelais A und einem Arbeitskontakt as'der die Speisespannung der Klemmen 60,61 mit dem Steuerspannungsgenerator koppelt.
Wenn ein Werkstück 13 in der Arbeitsspule 12 gehärtet werden soll, wird für die allmähliche Erhitzung des Werkstückes 13, die die Bildung von Karbiden fördert, die Zeituhr 54 mittels des Einstellzei- gers 58 auf einen erwünschten Wert, z. B. 10 Sekunden, eingestellt, während für eine rasche Erhitzung zum Härten des Werkstückes 13 der Einstellzeiger 59 der Zeituhr 55 auf z. B. 0, 8 Sekunden eingestellt wird.
Wenn jetzt der Druckschalter 67 eingedrückt wird, spricht das Bedienungsrelais A an, der Speisewechselspannungskreis wird geschlossen ebenso wie der Haltekreis 68 des Relais A über den Kontakt a4'so
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rend der Steuerspannungsgenerator über den Arbeitskontakt a, mit der Speisespannungsquelle 60,61 verbunden wird. In diesem Zustand sind die Thyratrons 37, 38,39 gesperrt und das Werkstück 13 wird all- mahlich erhitzt, der Kupplungsmagnet 62 wird erregt und kuppelt den Einstellzeiger 58 mit der Welle des Elektromotors 56.
Nach Ablauf der Einstellzeit der Zeituhr 54 wird das Relais D über den Einstellzeiger 58 erregt und von seinem Haltekreis 64 im erregten Zustand gehalten, der Speisekreis des Kupplungsmagne- ten 62 wird unterbrochen, der Speisekreis der zweiten Zeituhr 55 wird geschlossen und die Steuerspannungsleitung der Thyratrons 37,38, 39 an Erde gelegt.
Wie bereits vorstehend erläutert, werden infolgedessen die Thyratrons 37, 38, 39 gezündet, so dass jetzt, weil die Ausgangsleistung des Hochfrequenzofens auf den vierfachen Wert gesteigert ist, eine schnelle Erhitzung des Werkstückes 13 während einer Zeitdauer, die durch die Einstellzeit der zweiten Zeituhr 55 bestimmt wird, erfolgt. Es wird nämlich beim Schliessen des Speisekreises der zweiten Zeituhr 55 der Kupplungsmagnet 63 erregt, so dass der Einstellzeiger 59 mit der Welle des Elektromotors 57 gekuppelt wird, wodurch nach der Einstellzeit der Zeituhr 55 das Relais E erregt wird und über einen Haltekreis 66 erregt bleibt und der Haltekreis 68 des Bedienungsrelais A und der Speisekreis des Kupplungmagneten 63 unterbrochen werden.
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ab,tung und der Speisekreis 60,61 des Steuerspannungsgenerators unterbrochen werden.
Die geschilderte Vorrichtung ist hiemit in die ursprüngliche Lage zurückgekehrt, wonach der beschriebene Zyklus sich wiederholen kann.
Wievonder Patentinhaberin festgestellt wurde, kann zur kurzzeitigen Steigerung der Ausgangsleistung auf den vierfachen Wert für eine schnelle Erhitzung des Werkstückes 13 der Hochfrequenzofen ohne Schaden für die Betriebssicherheit überlastet werden. Z. B. kann beim angegebenen Hochfrequenzofen, der, wie vorstehend bereits erwähnt, für eine Leistung von 6 kW eingerichtet ist, die Ausgangsleistung kurzzeitig auf 24kW gesteigert werden, sofern nur die Zeitdauer dieser Überlastung einen bestimmten Grenz- wert nicht überschreitet und auch dafür gesorgt ist, dass das Verhältnis zwischen der Überlastungsdauer und der Zeitdauer einer normalen Erhitzung nicht über einen bestimmten Grenzwert, z. B. 20%, hinausgeht.
Diese beiden Bedingungen können einfach dadurch erfüllt werden, dass einmal die maximale Einstellzeit der Zeituhr 55 kleiner als der zur Überlastungsdauer gehörende Grenzwert gewählt wird und zum andem dafür gesorgt wird, dass die minimale Einstellzeit der Zeituhr 54 nicht unter eine gewisse Mindestzeit, z. B. 5 Sekunden, sinken kann.
Ohne Schaden für die Betriebssicherheit kann im beschriebenenAusführungsbeispiel dieZeitdauer der Überlastung von der Grössenordnung von einigen Sekunden gewählt werden, so dass der angegebene Hochfrequenzofen kurzzeitig die vierfache Leistung liefern kann, für die sonst ein Hochfrequenzofen der vierfachen Leistung erforderlich wäre-, dessen Anschaffungs-und Wartungskosten ein Vielfaches derjenigen des Hochfrequenzofens nach der vorliegenden Erfindung betragen. Innerhalb dieser kurzen Zeitdauer von höchstens wenigen Sekunden erfolgt eine weiche Umschaltung, ohne dass dabei störende Nebenerscheinun- gen wie Funkenbildung oder Ausgleichsströme auftreten.
In der Praxis genügt eine sehr rasche Erhitzung während weniger Sekunden reichlich für die vorkommenden Anwendungen, so dass die Erfindung eine interessante Erweiterung der Verwendungsmöglichkeiten von Hochfrequenzöfen möglich macht.
Nachstehend werden die Angaben der bei einem in der Praxis ausgeführten Hochfrequenzofen mit
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einer Schaltungsanordnung nach Fig. l, der für eine Leistung von 6kW eingerichtet ist, verwendeten Röh- ren erwähnt.
Triode 1 : Philips 2 X TBW 7/8000. Thyratrons 37,38, 39 : 3XDCG 6/6000.
Dioden 22,23, 24 : Philips 3 X DCG 5/5000. Diode 41 : 1 X DCG 6/18.
An dieser Stelle sei bemerkt, dass die beschriebene Massnahme auch vorteilhaft bei Hochfrequenzöfen für dielektrische Erhitzung, z. B. zum Erhitzen vonKunststoffenu. dgl., Anwendung finden kann. Weiter sei erwähnt, dass die Gleichrichtervorrichtung auch zum Gleichrichtern einer einphasigen Wechselspannung
Verwendung finden kann, in welchem Falle der Symmetriepunkt an der Sekundärseite des Speisetransfor- mators von einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Speisetransformators gebildet wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hochfrequenzofen mit einer rückgekoppelten gittergesteuerten Elektronenröhre und einer für die
Gleichstromspeisung der Elektronenröhre dienenden Gleichrichtervorrichtung mit einem durch die Netz- wechselspannung gespeisten Speisetransformator, bei dem jedes Ende einer Sekundärwicklung über einen Gleichrichter mit der ersten Gleichstromspeiseleitung verbunden ist, während die zweite Gleichstromspeiseleitung über eine Verbindungsleitung mit einem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransfor- mators verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Gleichstromspeiseleitung und jedem der Enden der Sekundärwicklung des Speisetransformators auch ein steuerbarer Gleichrichter angebracht ist und dass jeder steuerbare Gleichrichter mit einem Steuerspannungsgenerator verbunden ist,
der die Freigabe und Sperrung des steuerbaren Gleichrichters steuert, während in der Verbindungsleitung zwischen dem Symmetriepunkt der Sekundärseite des Speisetransformators und der zweiten Gleichstromspeiseleitung ein Gleichrichter angebracht ist, der mit der zweiten Gleichstromspeiseleitung in der gleichen Stromdurchlasstichtung verbunden ist wie die mit dieser Gleichstromspeiseleitung verbundenen steuerbaren Gleichrichter.