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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selbsttätigen, Laststrom
abhängigen
Regelung der Spannung eines elektrischen Stromerzeugers ("Generator"). Insbesondere betrifft
sie die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Regelung der Spannung
eines von einem Hubkolbenverbrennungsmotor angetriebenen Generators.
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Vorrichtungen
zur Spannungsregelung von Generatoren sind bekannt. Bei elektrischen
Stromerzeugern mit Elektromagneten zur Erregung der Induktionsspulen
kann eine Anpassung der Generatorspannung an verschiedene Lastzustände beispielsweise
durch eine Variation des Steuerstroms für die Elektromagneten und einer
damit einher gehenden Variation des magnetischen Flusses durch die
Induktionsspulen erfolgen. Eine solche einfache Spannungsregelung
ist bei permanent erregten Generatoren jedoch nicht möglich. Zur
Spannungsregelung sind hier technisch aufwändige regelungstechnische Maßnahmen
notwendig, was beispielsweise in Form von Schleifkontakten entlang
der Hauptspulen zur Einstellung der Anzahl der aktiven Spulenwindungen möglich ist.
Nachteilig hierbei ist die hohe Verschleißanfälligkeit der Schleifkontakte,
welche insbesondere durch Abrieb und Funkenschlag bedingt ist. Überdies führen oft
nicht zu vermeidende Windungskurzschlüsse zu einer nicht zu vernachlässigenden
Verlustleistung. Weiterhin ist nachteilig, dass während des
Schaltvorgangs immer kurze Stromunterbrechungen auftreten können.
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DE 26 59 600 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur selbsttätigen,
Laststrom abhängigen
Regelung eines elektrischen Stromerzeu gers, bei welcher die Regelung
der Generatorausgangsspannung durch Kurzschließen einer Teilspule einer Phase
mit einem Triac, der an einer Wicklungsanzapfung und dem Sternpunkt
angeschlossen ist, erfolgt.
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US
2001/002802 A1 beschreibt einen Motor, dessen Drehzahl-/Momentencharakteristik
mittels Umschaltung der Versorgungsspannung auf Wicklungsanzapfungen
der Statorphasenspulen verändert
wird.
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DE 100 47 287 A1 beschreibt
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen verschiedener Ausgangsspannungen
mit einem Wechselstromgenerator, wobei die Konfiguration der Anschlüsse der Statorwicklungen
zum Erzeugen verschiedener Ausgangsspannungen durch eine Konfigurationsschaltung
veränderbar
ist.
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Demgegenüber ist
es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung aufwändige regelungstechnische Maßnahmen
zur Anpassung der Ge neratorspannung an verschiedene Lastzustände zu vermeiden. Überdies
sollen Stromunterbrechungen während
der Schaltvorgänge
nicht mehr vorkommen.
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Diese
Aufgabe wird nach einem Vorschlag der Erfindung durch die Merkmale
des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale
der abhängigen Ansprüche gegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine
Vorrichtung zur selbsttätigen,
Laststrom abhängigen
Regelung der Spannung eines elektrischen Stromerzeugers angegeben,
bei welcher ein erstes und ein zweites Klemmenpaar zum Abgreifen
einer ersten bzw. einer zweiten Generatorspannung an der Generatorwicklung vorgesehen
sind. Sowohl das erste als auch zweite Klemmenpaar sind mit einem
Generatorklemmenpaar verbindbar, über welches der Laststrom geleitet werden
soll. Zwischen dem ersten Klemmenpaar befinden sich stets mehr Wicklungswindungen
als zwischen dem zweiten Klemmenpaar, so dass die an dem ersten
Klemmenpaar abgegriffene Spannung stets größer ist als die an dem zweiten
Klemmenpaar abgegriffene Spannung. Sowohl erstes als auch zweites
Klemmenpaar können
an beliebiger Stelle der Generatorwicklung angeklemmt werden, solange gewährleistet
ist, dass sich zwischen dem ersten Klemmenpaar mehr Windungen befinden
als zwischen dem zweiten Klemmenpaar. Bei der ersten Generatorspannung
handelt es sich vorzugsweise um die Generatorhauptspannung, d. h.
die von der vollständigen
Wicklung des Generators abgegriffene Spannung. Die zweite Generatorspannung
ist immer eine Anzapfspannung, welche kleiner als die Generatorhauptspannung
ist.
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Ferner
verfügt
die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine
drittes Klemmenpaar, durch welches die Steuerspannung für ei nen
Steuerstromkreis abgegriffen werden kann. Die Steuerspannung entspricht
vorzugsweise der Spannungsdifferenz zwischen der ersten Generatorspannung
und der zweiten Generatorspannung. Der Steuerstromkreis ist vorzugsweise
derart gestaltet, dass er erst ab einer bestimmten Durchlassspannung
stromführend
wird. Dies kann beispielsweise durch eine Zener-Diode bewirkt werden,
deren Durchbruchsspannung der Durchlassspannung des Steuerstromkreises
entspricht.
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Der
Steuerstromkreis verfügt über ein
Steuerrelais mit einem Schalter zum wechselweisen Verbinden des
Generatorklemmenpaars mit dem an der Generatorwicklung angeklemmten
ersten bzw. zweiten Klemmenpaar. Durch Umlegen des Schalters des Steuerrelais
wird das durch den Schalter mit dem ersten Klemmenpaar verbundene
Generatorklemmenpaar mit dem zweiten Klemmenpaar verbunden, falls
die am dritten Klemmenpaar abgegriffene Steuerspannung einen Wert
annimmt, der größer oder gleich
einer oberen Schwellspannung des Schaltrelais ist. Falls der Steuerstromkreis
erst ab einer Durchlassspannung stromführend ist, ergibt sich die obere
Schwellspannung summarisch aus der Durchlassspannung des Steuerstromkreises,
beispielsweise die Durchbruchsspannung einer dort befindlichen Zener-Diode,
und der Anzugsspannung des Schaltrelais. Umgekehrt wird die durch
den Schalter mit dem zweiten Klemmenpaar verbundene Generatorklemme
durch Umlegen des Schalters mit dem ersten Klemmenpaar verbunden,
falls die Steuerspannung kleiner oder gleich einer unteren Schwellspannung
des Schaltrelais ist. Die untere Schwellspannung ergibt sich summarisch
aus der Durchlassspannung des Steuerstromkreises, beispielsweise
der Durchbruchsspannung der Zener-Diode, und der Lösespannung
des Schaltrelais.
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Die
Lösespannung
des Schaltrelais ist stets kleiner als die Anzugsspannung des Schaltrelais,
worin die Schalthystere des Schaltrelais verantwortlich ist. Die
Schalthysterese ist für
eine stabile Schaltung des Schaltrelais notwendig, da aus einer
gleichen oberen und unteren Schwellspannung, d. h. einer zum Anziehen
und Lösen
gleichen Schaltspannung, ein instabiler Schaltzustand, mit einem
ständigen Hin-
und Herschalten folgen würde.
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Der
Abstand zwischen der oberen und unteren Schwellspannung, d. h. die
Breite der Schalthysterese, hängt
im allgemeinen von der Dimensionierung des Schaltrelais ab. Die
relative Lage der Schalthysterese kann durch die Dimensionierung
einer im Schaltkreis angeordneten Zener-Diode variiert werden. Eine
kleinere Durchbruchsspannung der Zener-Diode führt hier zu einer Verschiebung
der Schalthysterese zu kleineren Steuerspannungen, und umgekehrt.
Die Zener-Diode dient ferner zu einer Potenzialnivellierung der
Schalthysterese.
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Falls
im Steuerstromkreis weitere Elemente vorliegen, beispielsweise ein
Gleichrichter-Diode, durch welche in vorteilhafter Weise eine Gleichstrom-Steuerrelais
eingesetzt werden kann, sind gegebenenfalls auch Durchlassspannungen
dieser Elemente für
die zum Schalten des Steuerrelais erforderliche Höhe der Steuerspannung
in Betracht zu ziehen.
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Ferner
weist die erfindungsgemäße Vorrichtung
ein Brückenglied
zur Überbrückung der
durch den Schalter bewirkten Verbindung des ersten Klemmenpaars
mit dem Generatorklemmenpaar auf. Das Brückenglied ist mit einem – hier nicht
als Überspannungsschutz
und daher untypisch verwendeten – spannungsabhängigen Widerstand
("Varistor") versehen, welcher
eine Durchlassspannung hat, die oberhalb der Differenz von erster
und zweiter Generatorspannung und unterhalb der am ersten Klemmenpaar
abgegriffenen ersten Generatorspannung liegt. Verbindet der Schalter
des Steuerrelais das Generatorklemmenpaar mit dem ersten bzw. zweiten Klemmenpaar,
so fällt
entlang der Verbindung des ersten Klemmenpaars mit dem Generatorklemmenpaar
praktisch keine Spannung ab. Das Brückenglied wirkt aufgrund der
fehlenden Potenzialdifferenz und der dadurch bedingten Stromundurchlässigkeit
des Varistors als Sperrglied. Wird jedoch der Schalter des Steuerrelais
zwischen dem ersten und zweiten Klemmenpaar umgeschaltet, so liegt
während
des Schaltvorgangs das Potenzial des ersten Klemmenpaars am Varistor
an und das Brückenglied
dient als Durchlassglied, das zur Leitung des Laststromes über die durch
den offenen Schalter unterbrochene Verbindung zwischen erstem Klemmenpaar
und Generatorklemmenpaar geeignet ist. Um einen Kurzschluss zu vermeiden,
wenn der Schalter das zweite Klemmenpaar mit dem Generatorklemmenpaar
verbindet, muss die Durchlassspannung des Varistors so gewählt sein,
dass sie oberhalb der Differenz zwischen der ersten und zweiten
Generatorspannung liegt. In vorteilhafter Weise kann durch das Brückenglied
eine Stromunterbrechung während
des Schaltvorgangs vermieden werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Spannungsregelung innerhalb einer
Toleranzbreite von ±5%
erfolgt. Dies bedeutet, dass die Spannung hoch- bzw. niedergeregelt wird,
sobald die Nennspannung um 5% unter- bzw. überschritten wird. Ebenso ist
es bevorzugt, wenn die Spannungsregelung bei ohm'scher Last in der Nähe von ungefähr 50% – 80% des
Nennlaststroms erfolgt. Ist die Last ohm'sch-induktiv, verschieben sich die Schaltpunkte
in entsprechender Weise zu höheren relativen
Anteilen des Nennlaststromes. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
konform zur Ausführungsklasse
G2 der Norm DIN 8528 ausgelegt, welche die Spannungsre gelgenauigkeit
für Stromerzeugeraggregate
entsprechend den Toleranzen in öffentlichen
Netzen normiert.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert, wobei
Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen genommen wird. Es zeigen
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1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Spannungsregelung eines permanent erregten Synchrongenerators,
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2 den Verlauf der Strangspannung
einer Drehstromphase in Abhängigkeit
des Laststroms bei ohm'scher
Last (gestrichelte Linien) und ohm'sch-induktiver Last (durchgezogene Linien),
sowie die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgelösten Schaltvorgänge.
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In 1 ist beispielhaft das Schaltbild
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Spannungsregelung einer Phase eines permanent erregten Synchrongenerators
dargestellt. Vom Stromerzeuger sind nur die Generatorwicklung 1,
sowie die Generatorklemmen N, L1 dargestellt. An der Generatorwicklung 1 greifen
ein erstes Klemmenpaar 1U1, 1U2 und ein zweites
Klemmenpaar 1U1, 2U2 eine erste bzw. zweite Generatorspannung
ab. Das erste Klemmenpaar 1U1, 1U2 umgreift die
volle Windungszahl der Generatorwicklung, während das zweite Klemmenpaar 1U1, 2U2 eine
geringere Anzahl von Windungen umgreift. Da die induzierte Spannung
proportional zur Windungszahl ist, ist die zweite Generatorspannung
stets kleiner als die erste Generatorspannung. Sowohl erstes als
auch zweites Klemmenpaar können
mit der Generatorklemme L1, N verbunden werden.
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Zur
Verbindung der Generatorklemme L1, N mit erstem oder zweitem Klemmenpaar
dient ein Schaltrelais 8 mit einem Schalter 9.
Das Schaltrelais 8 befindet sich in einem Steuerstromkreis 2,
der mit den Klemmen 2U2 und 1U2 von dem ersten
und zweiten Klemmenpaar verbunden ist, und somit die Differenzspannung
zwischen erster und zweiter Generatorspannung abgreift. In dem Steuerstromkreis 2 sind
ferner eine Zener-Diode 6 und eine Gleichrichter-Diode 7 angeordnet.
Die Zener-Diode 6 bewirkt eine Sperrwirkung, derart dass
erst bei Überschreiten
der Zener-Durchbruchsspannung der Steuerstromkreis 2 stromführend wird.
Die Gleichrichter-Diode 7 dient zur Gleichrichtung des
Wechselstroms, wodurch in vorteilhafter Weise ein Gleichstrom-Schaltrelais 8 eingesetzt
werden kann.
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Sobald
die zwischen den Klemmen 1U1 und 2U2 induzierte
Spannung eine obere Schwellspannung übersteigt, die durch die Durchbruchsspannung der
Zener-Diode 6, die Durchlassspannung der Gleichrichter-Diode 7 und
die Anzugsspannung des Steuerrelais 8 vorgegeben ist, fließt in dem
Steuerstromkreis 2 ein Strom, der das Steuerrelais 8 zum Anziehen
des Schalters 9 bringt. Hierdurch wird die am Generatorklemmenpaar
N, L1 anliegende Spannung vom höheren
Spannungswert 1U2 zum niederen Spannungswert 2U2 umgeschaltet.
Der diesen Schaltvorgang auslösende
Laststrom wird dann über den
Stromkreis 4 des zweiten Klemmenpaars geführt. Die
Verminderung des Laststroms zwischen den Klemmen des Steuerstromkreises 1U2, 2U2 bewirkt
ein weiteres Ansteigen der dort abgegriffenen Steuerspannung, was
den Umschaltvorgang unterstützt.
Die Wirkung des Laststroms auf die Spannung in diesem Zweig bleibt
also erhalten.
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Steigt
der Laststrom wieder an, so sinkt die abgegriffene Steuerspannung
ab, was ein neuerliches Umschalten des Schaltrelais 8 bewirkt,
sobald die Steuerspannung eine untere Schwellspannung erreicht.
Die untere Schwellspannung ist durch die Durchbruchsspannung der
Zener-Diode 6, die Durchlassspannung der Gleichrichter-Diode 7 und die
Lösespannung
des Steuerrelais 8 vorgegeben. Die untere Schwellspannung
liegt, bedingt durch die Schalthysterese des Schaltrelais, stets
niedriger als die obere Schwellspannung. Sinkt die Steuerspannung
bis unterhalb der Durchbruchsspannung der Zener-Diode 6 ab,
so fließt
im Steuerstromkreis 2 kein Strom mehr. Der mit dem Umschalten
vom zweiten Klemmenpaar zum ersten Klemmenpaar durch den Laststrom
hervorgerufene zunehmende Innenwiderstand zwischen den Klemmen des
Steuerstromkreises 1U2, 2U2, führt zu einem weiteren Absinken der
Steuerspannung, was den Umschaltvorgang unterstützt.
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Eine
Unterbrechung des Stromflusses während
der Schaltung wird durch einen in einem Brückenglied 5 angeordneten
Varistor 10 verhindert. Der Varistor ist im spannungsfreien
Zustand hochohmig und lässt
somit keinen elektrischen Stromfluss zu. Steigt hingegen die Spannung
an seinen Anschlüssen,
so kippt er bei einer bestimmten Durchlassspannung in den niederohmigen
Zustand und leitet den elektrischen Strom über den Stromkreis 3.
Verbindet der Schalter 9 das erste Klemmenpaar mit dem
Generatorklemmenpaar, so fällt über den
Anschlüssen des
Brückenglieds
praktisch keine Spannung ab – der
Varistor ist hochohmig und wirkt als Sperrglied. Während des
Umschaltens des Schalters 9 von dem ersten Klemmenpaar
zu dem zweiten Klemmenpaar liegt das Potenzial der Klemme 1U2 am
Varistor an, wodurch dieser in den niederohmigen Zustand gebracht
wird und den Laststrom leitet. Hat der Schalter 9 die Verbindung
des Generatorklemmenpaars zu dem zweiten Klemmenpaar hergestellt,
so erfolgt die Stromleitung über
den Stromkreis 4, infolgedessen der Varistor wieder hochohmig
wird und den Stromfluss durch das Brückenglied sperrt. Bei der Umschaltung
des Schal ters 9 von der Klemme 2U2 zur Klemme 1U2 gilt
entsprechendes. Eine höhere Durchlassspannung
des Varistors als die Differenz zwischen der an der Klemme 2U2 und 1U2 abgegriffenen
Spannung verhindert, dass ein Kurzschluss über den Stromkreis 3 stattfindet,
wenn der Schalter 9 das Generatorklemmenpaar N, L1 mit
dem zweiten Klemmenpaar 1U1, 2U2 verbindet. Um
die Varistor internen Verluste möglichst
gering zu halten, sollten der Schalter 9 möglichst
schnell schalten.
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2 zeigt die Abhängigkeit
der durch die Generatorklemme L1, N abgegriffenen Strangspannung
UStr (Phasenspannung), ausgedrückt in %
der Nennspannung UStrN, von dem Laststrom
IL, ausgedrückt in % des Nenn-Laststroms
ILN, für
den Fall einer rein ohm'schen
Last (gestrichelte Linien), bei welcher Strom und Spannung in Phase
sind, d. h. cos φ =
1, worin φ dem
Winkel zwischen Strom und Spannung entspricht, bzw. einer ohm'sch-induktiven Last (durchgezogene
Linien), bei welcher cos φ =
0,8 gilt. Der Spannungsverlauf 2 entspricht der Spannung der
von dem ersten Klemmenpaar 1U1, 1U2 abgegriffenen
ersten Generatorspannung, während
der Spannungsverlauf 1 der Spannung der von dem zweiten
Klemmenpaar 1U1, 2U2 abgegriffenen zweiten, kleineren
Generatorspannung entspricht.
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Dem
Schaltvorgang ist ein Toleranzbereich von ± 7% zugrunde gelegt. Im Leerlauf
(d. h. IL = 0) beträgt die Generatorklemmenspannung
ungefähr 107%
der Nennspannung und entspricht der zwischen 1U1 und 2U2 abgegriffenen
Spannung.
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Es
sei eine ohm'sche
Last (gestrichelten Linien) betrachtet. Wird der Generator ausgehend
von der Null-Last (gestrichelte Kurve 1; IL =
0) elektrisch belastet, und wird der Laststrom kontinuierlich erhöht, so erreicht
man bei ca. 77% des Nenn- Laststroms
die Schaltschwelle (obere Schwellspannung) des Steuerrelais, und
die Generatorklemme L1 wird mit der Klemme 1U2 des ersten
Klemmenpaars verbunden. Dies hat einen Spannungssprung von ca. 94%
auf ca. 101% der Strangspannung zur Folge. Bei einer weiteren Erhöhung des
Laststroms vermindert sich die Strangspannung gemäß der gestrichelten
Kurve 2.
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Wird
der Generator anschließend
entlastet, d. h. wird der Laststrom kontinuierlich verringert, so steigt
die an der Generatorklemme abgegriffene Spannung gemäß der gestrichelten
Kurve 2 an, bis sie bei ca. 55% des Nenn-Laststroms die Schaltschwelle
(untere Schwellspannung) des Schaltrelais erreicht, und die Generatorklemme
L1 wird mit der Klemme 2U2 des zweiten Klemmenpaars verbunden.
Dies hat einen Spannungsprung von ca. 105% auf ca. 98% der Strangspannung
zur Folge. Bei einer weiteren Verminderung des Laststroms erhöht sich die
Strangspannung gemäß der gestrichelten
Kurve 1. Im Leerlauf (IL = 0) erreicht sie
schließlich
107 der Nenn-Strangspannung.
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Zwischen
den beiden Schaltschwellen ist die Hysterese des Steuerrelais zu
erkennen. Die Spitzen der Hysterese befinden sich bei ca. 77% und
ca. 55% des Nenn-Laststroms. Die von der Hysterese umrahmte Fläche hängt vom
relativen Abstand der Schaltschwellen, sowie von der Steigung der
Strangspannung ab.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist zur Regelung der Phasenspannung jeder Drehstromphase vorgesehen,
also bei drei Drehstromphasen insgesamt dreimal. Besonders vorteilhaft
wirkt sie bei einer Schieflast, da bei einer stark belasteten Phase die
Spannung sinkt und bei einer schwach belasteten Phase die Spannung
steigt.
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Insbesondere
können
die erfindungsgemäßen Vorrichtungen
kaskadenförmig
aneinander gereiht werden, wobei der Abstand zwischen der ersten und
zweiten Generatorspannung innerhalb der Kaskade immer enger wird,
so dass die Spannungsregelung feinstufiger wird.
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Eine
bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die selbsttätige, Laststrom
abhängige
Regelung der Spannung eines von einem Hubkolbenverbrennungsmotor
angetriebenen elektrischen Stromerzeugers. Hierbei kann es sich insbesondere
um einen von einem Dieselmotor angetriebenen Synchrongenerator handeln.
Ein permanent erregter Stromerzeuger ist erfindungsgemäß bevorzugt.