DE2013189A1

DE2013189A1 - Wechselstromgenerator mit abge stufter Stromstarke Drehzahl Charakten stik

Info

Publication number: DE2013189A1
Application number: DE19702013189
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung M Antrag
Original assignee: Automobiles Citroen SA
Current assignee: Automobiles Citroen SA
Priority date: 1969-03-20
Filing date: 1970-03-19
Publication date: 1971-03-04
Also published as: SE355900B; ES377605A1; GB1310937A; FR2038643A5

Description

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 2, HILBLESTRASSE

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stopf, 8 München 2, Hllblestrofla 20 Ihr Zeichen Unser Zeichen ΤΥ/Κΐ" 19 4-06 ^Dalum Anwaltsakten Ir. 19 406

.Society Anonyme Automobiles Citroen ■Paris / Frankreich.

Wechselstromgenerator mit abgestufter Stromstärke-Drehzahl- Charakteristik

Die Erfindung betrifft die Regelung der.Ausgangsspannung eines mit sehr unterschiedlichen Drehzahlen angetriebenen Stromgenerator., welcher eine abgestufte Stromstärke-Greschwindigkeit-Charakteristik aufweist, wobei dieser Generator insbesondere in Fahrzeugen verwendet wird.

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Wenn man den elektrischen Strombedarf eines Fahrzeugs, dessen Generator mit stark unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben wird, untersucht, ergibt sich für die zu liefernde Stromstärke eine Funktion in Abhängigkeit von der Drehzahl in Form einer abgestuften Kurve, in welche man eine theoretische Kurve mit einer Knickstelle einschreiben kann. Diese beiden Kurven sind in der beigefügten Zeichnung gezeigt. Wenn man einen Wechselstromgenerator zur Speisung ™ der elektrischen Einrichtungen eines Fahrzeugs verwendet, dann muß für eine rationelleVerwendung ein Wechselstromgenerator vorgesehen werden, welcher bei niedriger Drehzahl einen Strom ausreichender Stärke zur Aufladung der Batterie liefern kann, und welcher bei höheren Drehzahlen eine beträchtliche Stromstärke liefern kann, um den Bedarf bei diesen Drehzahlen zu decken.

Es sind bereits mit einer Grleichrichterbrückenschaltung φ verbundene Drehstromgeneratoren bekannt, für welche man einen Umschalter verwendet, welcher ein Umschalten der Wicklungen des Wechselstromgenerators von Sternschaltung in Dreieckschaltung gestattet. Dadurch erhält man eine ausreichende Ausgangsleistung bei niedriger Drehzahl und eine höhere Stromstärke im oberen Drehzahlbereich. Der Umschalter schaltet auch die Erregung des Weciujelstromgeneratora ab, um diese Umschaltung oder die umgekehrte Umschal-

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tung zu gestatten. Der Umschalter wird durch einen .von einem elektronischen Schalter gesteuerten Elektromagneten betätigt, wobei die Auslösung des elektronischen Schalters eine Funktion, der von dein Wechselstromgenerator gelieferten Stromstärke ist. .

Bei dem bekannten System ist nachteilig, daß ein Umschalter verwendet werden muß den das häufige Ansprechen insbe-

sondere im Stadtbetrieb störanfällig macht. Ein.zweiter lachteil ist die häufige Abschaltung des Erregungskreises, wa,s zu parasitären Strommodulationen führt.

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Generator, der die oben erwähnten Nachteile, insbesondere das Abschalten der Erregung, nicht aufweist. Die Erfindung gestattet es, die Leistung eines herkömmlichen schon bei niedriger Drehzahl zu arbeiten beginnenden Wechselstromgenerators ohne größeren Raumbedarf zu erhöhen, wobei dieser Wechselstromgenera- ^ tor von einphasiger oder dreiphasiger Bauart sein kann. Die Erfindung gestattet es, daß der Wechselstromgenerator disponible Stromstärken als Funktion der Drehzahl liefert, Wobei dessen Kurve von Werten über der theoretischen die notwendigen Stromstärken als Funktion von den Drehzahlenangebenden Kurve liegt. . .

Ein solcher Wechselstromgenerator mit Wicklungen mit ZwI-

• ■ . -4-,

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schenanzapfung, welcher an eine Gleichrichterbrücke mit Halbleitern angeschlossen ist, liefert bei niedriger Drehzahl eine ausreichende Stromstärke und eine bei großer Drehzahl ^Λ erhöhte Stromstärke. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß \ein Relais in Abhängigkeit von der abgegebenen Stromstärke feTbeitet und eine Sperreinrichtung mit Thyristoren angeschlossen ist, welche einen ^χ'βϋ der Gleichrichterbrücke bildet oder in deren Schaltung eingeschaltet ist, daß das Relais bei Erreichen eines Schwellenwerts der Stromstärke oder elaer vorbestimmten Drehzahl des Wechselstromgenerators so arbeitet, daß unterhalb dieser Schwelle die Gesamtheit der Wicklung beteiligt ist und die Gleichrichtung in bekannter »7eise in einer einphasigen Brückenschaltung erfolgt, und daß oberhalb der Schwelle jeder Teil der Wicklungen abwechselnd beteiligt ist, wobei eine Doppelweg-Einphasen-Gleichrichtung erfolgt.

Der Generator gemäß Erfindung dessen Stromabgabe bei geringer Drehzahl beginnt, kann im unteren Drehzahlbereich eine ausreichende Stromstärke abgeben, um die Batterie zu laden und kann bei höheren Drehzahlen eine beträchtliche Ausgangsleistung abgeben, welche allen Anforderungen genügt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von drei Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen bezug genommen wird.

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Hg. 1 zeigt eine graphische !Darstellung für die notwendige Größe des Stroms I in Ampere als Funktion von der Drehzahl N in Umdrehungen pro Min. ■

Pig. 2 zeigt eine theoretische Kurve der Integration der Kurve von Pig. I.

Pig. 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines einphasigen

Wechselstromgenerators gemäß Erfindung. , -

Pig. 4 zeigt eine abgewandelte Form des Schaltbilds von Pig. 3.

Pig. 5 zeigt ein elektrisches Schaltbild eines Drehstromgenerators gemäß Erfindung.

Pig. 6 zeigt die mit einem Wechselstromgenerator gemäß

Erfindung erhaltene Kurve, verglichen mit der Kurve <([ eines herkömmlichen Wechselstromgenerators gleichen Raumbedarfs.

Pig. 7 zeigt die mit einem einphasigen Wechselstromgenerator nach Pig. 3 oder 4 erhaltene Kurve.

Pig. 8 zeigt die mit einem Drehstromgenerator nach Pig. 5

erhaltene Kurve. , ·

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Fig. 1 zeigt eine Darstellung des Jeweiligen Strombedarfs eines Fahrzeugs bei verschiedenen Drehzahlen und Fig. 2 zeigt eine abgestufte theoretische Kurve a, welche diese Beziehungen wiedergibt. Diese Kurve weist einen Knickpunkt A1 auf, welcher einer Drehzahl n1 und einem Wert des Stroms von 11 entspricht. Der Teil AoA1 der Kurve entspricht einer geringen Drehzahl und einer geringen Stromstärke. Der Teil AlAn entspricht einer höheren Drehzahl und höherer Stromstärke.

Aus Fig. 3 ist ein Wechselstromgenerator 1 ersichtlich, dessen Anker schematisch durch zwei Wicklungsteile 2 und 3 angegeben ist, welche gleich oder nicht gleich sein können. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Wicklungen bildet eine Zwischenanzapfung der Wicklung APB.

Die Enden A und B der Wicklungsteile 2 und 3 sind bei D und F mit einer herkömmlichen Gleichrichterbrücke 4 verbunden, welche zwei Gleichrichterdioden 5 und 6 und zwei Thyristoren 7 und 8 aufweist. Die Punkte D und F befinden sich Jeweils zwischen der Diode 5 und dem Thyristor 7 bzw. zwischen der Diode 6 und dem Thyristor 8. Eine Verbindungsstelle G befindet sich zwischen den Thyristoren 7 und 8 und eine Verbindungsstelle H befindet sich zwischen den Dioden f> und 6. Eine Leitung 9 verbindet den Verbindungs-

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punkt H über ein Relais 11 mit einem Pol einer Batterie B, Eine Leitung 10 verbindet den Verbindungspunkt G- über den Verbindungspunkt K mit dem anderen Pol der Batterie,

Pas elektromagnetische Stromrelais 11 steuert einen Ruhekontakt 12,. dessen eines Kontaktglied mit der leitung 10 verbunden ist und dessen anderes Kontaktglied über mit Widerständen 14 in Reihe liegende Dioden 13 mit den Steuerelektroden e der Thyristoren 7 und 8 verbunden ist. ,

Das Relais 11 und sein Kontakt 12 können auch durch einen Schalter ersetzt sein, welcher von einer drehzahlgesteuerten bekannten Einrichtung, z.B. eine den Schalter 12 bei einer bestimmten Geschwindigkeit öffnende Fliehkrafteinrichtung gesteuert wird.

Eine Hgtltediode 15 ist zwischen die Verbindungsstelle K der Leitung 10 und die Verbindungsstelle P' des Ankers des Wechselstromgenerators 1 geschaltet.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Bei geringer Drehzahl des Fahrzeugmotors und somit des

■ - ■ ι Weehselstromgenerators ist der Kontakt 12 des Relais 11

geschlossen, und die Thyristoren 7 und 8 sind leitend, da

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bei jeder Halbwelle ihre Steuerelektroden positiv in bezug auf ihre Kathoden ist. Die Gleichrichtung des Wechselstroms erfolgt auf bekannte Weise mit einer einphasigen Brücke, wobei die beiden Wicklungsteile 2 und 3 gleichzeitig beteiligt sind.

Von einer bestimmten Drehzahl ab, welche eine Schwelle bildet und der Drehzahl η 1 des Diagramms von Fig. 2 entspricht, übersteigt die Stromstärke einen Wert 11, welcher das Stromrelais 11 den Kontakt 12 öffnen läßt. Die Thyristoren 7» 8 bleiben dann gesperrt und ihre Steuerelektroden erhalten keine Auslöseimpulse mehr und die Gleichrichtung erfolgt dann unter Mitwirkung der Mittelanzapfung, wobei die beiden Spulen parallel liegen und bei aufeinanderfolgenden Halbwellen abwechselnd arbeiten, und wobei der Rückfluß des Stroms dann über die Haltediode 15 stattfindet.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Einrichtung gemäß Erfindung welche aus Fig. 4 schematisch ersichtlich ist, wird die Gleichrichterbrücke 4' in herkömmlicher Weise durch vier Gleichrichterdioden 5,6, 16,17 gebildet. Ein Thyristor 18 ist in die Leitung 10 zwischen G und K geschaltet und wird, wie im Fall von Fig. 3, durch einen Ruhekontakt 12 gesteuert, welcher durch ein Stromrelais 11 betätigt wird. Diese Einrichtung arbeitet genau wie die aus Figo 3 ersicht-

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liclie Einrichtung. Bei geringer Drehzahl wird mit der ganzen Wicklung APB gearbeitet. Bei höherer Drehzahl· wird durch Öffnen des Kontakts 12 durch das Relais 11 der Thyristor gesperrt, und seine Steuerelektrode erhält keine Auslöseimpulse mehr. Der Strom fließt dann nicht mehr über die Dioden 16, 17 sondern über die Diode 15. Es werden dann abwechselnd die Wicklungen PA, PB verwendet.

Aus der graphischen Darstellung von Pig, 6 sind die Vorteile, der Einrichtung gemäß Erfindung leicht ersichtlich. In dieser Figur zeigt die Kurve a den Strom I als Punktionvon der Drehzahl Έ des Wechselstromgenerators gemäß Erfindung, und die Kurve B mit strichpunktierten Linien zeigt ■ die gleiche Kennlinie für einen herkömmlichen Wechselstromgenerator mit gleichem Raumbedarf. Man sieht, daß der Beginn der Stromabgabe des Wechselstromgenerators mit der * Kurve a bei einer Drehzahl η ο liegt, welche viel niedriger , als die Drehzahl liegt, bei welcher die Stromabgabe eines herkömmlichen Wechselstromgenerators entsprechend der Kurve b einsetzt.

Die bei gleicher Drehzahl gelieferte ladestromstärke b ei der Kurve a liegt 'sowohl bei geringer Drehzahl zwischen no und n1 (wobei n1 die Zahl der Umdrehungen in der Min. angibt, bei welcher das jStromrelais 11 anspricht) als auch 'bei Drehzahlen über n1 höher. „

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Durch die Einrichtung gemäß Erfindung kann deshalb die leistung erhöht werden und die Stromabgabe setzt bei geringerer Drehzahl ein, ohne daß der Wechselstromgenerator mehr Raum beansprucht.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich,daß ein einphasiger Wechselstromgenerator mit vorgegebenem Raumbedarf der bei einer Drehzahl η Stromabgaben beginnt einen maximalen Strom I φ liefert.

Ein einphasiger Wechselstromgenerator gemäß Erfindung mit gleichem Raumbedarf, dessen Stromabgabe bei der gleichen Drehzahl η einsetzt, liefert eine Stromstärke als Funktion seiner Geschwindigkeit, welche durch die ausgezogene Kurve dargestellt ist.

Diese Kurve weist einen Knickpunkt P auf, welcher die Kurve ^ in zwei Teile al und a2 unterteilt. Der Teil al stellt die vor der Umschaltung gelieferte Stromstärke dar, d.h., wenn die ganze Wicklung APB verwendet wird. Der Teil a2 stellt die Stromstärke nach der Umschaltung dar, wenn abwechselnd die Hälften der Wicklung PA, PB verwendet wird.

Der Wechselstromgenerator gemäß Erfindung arbeitet bei allen Drehzahlen mit der ganzen Wicklung APB, beginnt mit

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der Stromabgabe bei einer Drehzahl η und liefert eine maximale Stromstärke I»

Der gleiche Wechselstromgenerator arbeitet bei allen Drehzahlen abwechselnd mit den Wicklungshälften PA und PB und beginnt bei einer Drehzahl 2n mit der Stromabgabe, liefert aber eine maximale Stromstärke von etwa I ~i 2' bei gleichen Stromwärmeverlusten.

Die Umsohaltvorrichtung erlaubt es, daß 'ein Wechselstromgenerator gemäß Erfindung bei einer drehzahl η mit der Stromabgabe beginnt und eine maximale Stromstärke von etwa I ~f~2? mit gleichen Stromwärmeverlusten liefert.

Fig. 5 zeigt ein schematisches Schaltbild gemäß Erfindung mit einem Drehstromgenerator. Der Anker 19 des Generators weist drei übliche Y/icklungen 20, 21 und, 22 auf, welche

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um 120 versetzt sind und,zu einem Stern mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt P geschaltet sind* Die Enden A, B und-C dieser Wicklungen sind mit Verbindungspunkten-D, F und L einer dreiphasigen Brücke 4" verbunden, welche drei Gleichrichterdioden 23, 24 und 25 und drei Thyristoren 26, 27 und 28 aufweist. Die drei Dioden der Brücke 4" sind mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt H verbunden, welcher über eine Leitung 9 und ein Stromrelais 11 mit einer Klem-

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me einer Batterie E verbunden ist. Die drei Thyristoren der Brücke sind dagegen mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt G verbunden, welcher über eine Leitung 10 mit der anderen Klemme der Batterie E verbunden ist. Eine oder mehrere Haltedioden (bei der aus der Zeichnung ersichtlichen Ausführungsform sind es die drei Dioden 29, 30, 31, welche parallel zueinander geschaltet sind) verbinden den ■Verbindungspunkt G der Brücke 4" über einen Verbindungspunkt a K der Leitung 10 mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt P des Ankers 19 des Drehstromgenerators.

Ein Kontaktglied des Ruhekontakts 12 des Stromrelais 11 ist mit der Leitung 10 verbunden, während sein anderes Kontaktglied jeweils über eine Diode 13 und einen Widerstand mit den Steuerelektroden e der Thyristoren 26, 27, 28 verbunden ist.

Vor der Beschreibung der Arbeitsweise dieser Einrichtung ™ muß daran erinnert werden, daß wenn man bei Drehstrom die Vektoren der Ströme der drei Phasen addiert, deren Summe Null ergibt. Es gibt immer einen Phasenvektor mit einem zu den beiden anderen entgegengesetzten Sinn. Und wenn der Strom in einer der Phasen Null ist, haben die Ströme der beiden anderen Phasen einen absolut gleichen Wert, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen.

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Bei niedriger Drehzahl des Generators ist der durch das . Stromrelais 11 fließende Ladestrom zu gering, um das Relais und den Kontakt 12, welcher geschlossen bleibt, ansprechen zu lassen. Die Thyristoren 26, 27 und 28 sind dann leitende ·

Wenn man annimmt, daß in einem Augenblick der Strom in der Wicklung 22 des Ankers 19 des Generators Null ist, fließt der Strom von dem Ende B über den gemeinsamen Yerbindungspunkt P in der Wicklung 21 und umgekehrt von P zu dem Ende A der Wicklung 20. Somit ergibt sich ein Gesamtankerstrom PA + PB oder AB bei jeder Halbwelle.

Dieser Strom ist gleich demjenigen, der durch die Gesamtwicklung AB im Falle eines einphasigen Wechselstromgenerators gemäß Fig. 3 erhalten wird. Der Ladestrom fließt in ■ diesem Moment durch den Kreis A - D - 23 - H - 9 - 11 - E - 10 - K - G - 27 - F - B. ' ·

Wenn 'die Drehzahl des Generators*den Wert n1 erreicht, erreipht die Stromstärke I einen Wert 11, bei welchem das Stromrelais 11 den Kontakt 12 öffnet. Dann erhalten die Steuerelektroden keine Zündimpulse mehr und die Thyristoren 26y 27 .und 28 bleiben gesperrt. Der Strom I kann nicht mehr durch die Thyristoren fließen; er fließt vielmehr über die Dioden 29, 30, 31 zum gemeinsamen Verbindungs-

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punkt B, und es wird bei jeder Halbwelle aufeinanderfolgend mit den Wicklungen PA und PB gearbeitet.

Die gleichen Erscheinungen treten beim Hindurchgang jeder der Phasen durch NuIl auf, und für Zwischenwerte ergibt sich ein Wellenstrom»

Wie aus Pig. 8 ersichtlich ist, gibt ein Drehstromgenerator mit gegebenem Raumbedarf, dessen Stromabgabe bei einer Drehzahl η beginnt, einen maximalen Drehstrom I ab.

Ein Drehstromgenerator gemäß Erfindung mit gleichem Raumbedarf, welcher bei der gleichen Drehzahl η mit der Stromabgabe beginnt, liefert eine Stromstärke in Abhängigkeit von seiner Drehzahl, welche durch die ausgezogene Kurve angegeben wird.

Diese Kurve weist einen Knickpunkt P auf, der sie in einen Teil al und einen Teil a2 aufteilt. Der 'J? eil al stellt die Stromstärke vor der Umschaltung dar, d.h., wenn die ganze Wicklung APB verwendet wird. Der Teil a2 stellt die Stromstärke nach der Umschaltung dar, wenn abwechselnd die Hälften der Wicklung PA und PB verwendet werden.

Der Generator gemäß Erfindung arbeitet bei allen Drehzahlen mit der gesamten Wicklung APB, wobei die Stromabgabe bei

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einer Drehzahl η beginnt, und liefert eine maximale Stromstärke I. ·

Der gleiche Generator arbeitet bei allen Drehzahlen abwechselnd mit seinen Wicklungen PA und PB, wobei seine Stromabgabe bei einer theoretischen Drehzahl voni/ 3> beginnt, liefert aber eine Stromstärke von ungefähr I νο mit gleichen Stromwärmeverlusten.

Die Umschaltvorrichtung gestattet es, daß der Generator gemäß Erfindung bei einer Drehzahl η Strom abzugeben beginnt und eine maximale Stromstärke von etwa I ν 3 mit gleichen Stromwärmeverlusten liefert.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollen natürlich keine Beschränkung bilden. Insbesondere können andere Grleichrichterbrücken oder andere Anker von Wechselstromgeneratoren als die oben erläuterten verwendet werden.

Patentansprüche -16-

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Claims

Patentansprüche :

1.) Wechselstromgenerator mit einer abgestuften Stromßtärke-Drehzahl-Charakteristik mit Wicklungen mit einem Zwischenabgriff, welche an eine Gleichrichterbrücke mit Halbleitern angeschlossen sind, welcher bei niedriger Drehzahl eine

α ausreichende Stromstärke und bei großer Drehzahl eine höhere Stromstärke liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Relais (11), welches in Abhängigkeit von der Ladestromstärke • des Generators (l) arbeitet, an eine Sperreinrichtung mit Thyristoren (7,8) angeschlossen ist, welche einen 'feil der Gleichrichterbrücke (4) bildet, oder in deren Schaltung liegt, daß das Relais bei Erreichen eines Schwellenwertstroms der Stromstärke oder einer vorbestimmten Drehzahl so arbeitet, daß unterhalb des Schwellenwerts die Gesamtheit (2,3) der Wicklung (APB) beteiligt ist, und die Gleichrichtung mit

^m einer einphasigen Brücke erfolgt, und daß oberhalb der Schwelle jeder Teil (2 oder 3) der Wicklungen abwechselnd beteiligt ist, wobei eine Doppelweg-Einphasen-Gleichrichtung erfolgt.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (11) einen Kontakt (12) betätigt, welcher den Kreis für die Sperreinrichtung mit Thyristoren (7,8) bei einem vorbestimmten Stromwert öffnet.

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3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine drehzahlgesteuerte Einrichtung bei einer vorbestimmten Drehzahl einen Schalter (12) des Sperrkreises mit Thyristoren (7,8) betätigt. ' *' £>.-^:'."^ϊ;

4. Wechselstromgenerator von einphasiger Bauart nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Ankerwicklung (APB) eine Zwischenanzapfung (P) aufweist, welche durch eine Haltediode (15) an eine Gleichrichterbrücke (4) angeschlossen ist. SI

5. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung an einer Brücke (4') mit Gleichrichterdioden (5,6,16,17) angeschlossen ist, und daß ein Thyristor (18) zwischen der Brücke (4¹) und der Zwischenanzapfung (P) der Wicklung (APB) liegt.

6. Wechselstromgenerator von der dreiphasigen Bauart mit sterngeschalteten Ankerwicklungen nach Anspruch 1, dadurch M gekennzeichnet, daß der gemeinsame Verbindungspunkt (P) . der Wicklungen des Ankers (ABC) durch Haltedioden (29,30,31) an eine dreiphasige Gleichrichterbrückenschaltung (4") angeschlossen ist. .

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