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Elektrischer Regler Ein elektrischer Regler, der eine genaue Einstellung
der zu regelnden Größe bewirken soll, muß sich normalerweise in einem schwingenden
Zustand befinden. Eine Abweichung der zu regelnden Größe von dem ;normalenWert hat
bei deinem solchen Regler eine Verschiebung der Schwingungsmittellage zur Folge,
und diese Verschiebung wird für die Einstellung einer Steuer- und Regelgröße benutzt,
wodurch die zu regelnde Größe auf ihren Sollwert zurückgeführt wird. Weil derRegler
schwingt, wird eine unendlich kleine Abweichung vom Sollwert auch eine entsprechende
Verschiebung der Schwingungsmittellage herbeiführen, und diese Abweichung wird gewöhnlich
dazu benutzt, die zu regelnde Größe zum Sollwert zurückzuführen. Es ist dies bei
den übrigen Reglern, die, um in Wirksamkeit zu treten, eine bedeutende Abweichung
vom Sollwert fordern, nicht der Fall. Wenn ein solcher Regler durch eine genügend
großeAbweichung in Tätigkeit tritt, ist eine genaue Einstellung der zu regelnden
Größe noch nicht möglich, weil er, sobald die zu regelnde Größe innerhalb der unvermeidlichen
Unempfindlichkeitsgrenzen gebracht worden ist, zu wirken aufhört.
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Sämtliche schwingende Regler sind bis jetzt mit einem mechanisch schwingenden
System, das die Ein- und Ausschaltung der Steuergröße veranlaßt hat, ausgeführt
worden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Regler zur Herstellung
und Beibehaltung eines gewissen Verhältnisses zwischen einer Betriebsgröße und'
einer Vergleichsgröße unter Verwendung eines von der Betriebsgröße beeinflußten
Schwingungskreises. Gemäß der Erfindung ist in diesem Schwingungskreis die Vergleichsgröße
und die Betriebsgröße jede für sich oder deren Differenz durch eine Gleichspannung
vertreten. In diesem Schwingungskreis liegt, wie weiter unten beschrieben wird,
normalerweise ein schwingender Strom vor. Eine geringe Abweichung der 'zu regelnden
Größe von dem Sollwert verursacht, daß diese Schwingung sich um eine neue Schwingungsmittellage
vollzieht, welche Veränderung zur Herbeiführung der Regelung benutzt wird.
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Der Schwingungskreis enthält Glieder, die teils ein Abbild der zu
regelnden Größe in der Form einer Spannung, teils eine Vergleichsgröße, die ebenfalls
eine Spannung ist, in den Schwingungskreis einführen. Außerdem enthält der Schwingungskreis
eine Selbstinduktion und eine Kapazität, welche die Eigenschwingungszahl des Kreises
bestimmen. Der Kreis enthält außerdem Mittel für
dieAufrechterhaltung
der Schwingungen, und zwar wird hierfür ein Rückkopplungskreis benutzt, wie unten
beschrieben. In dem Schwingungskreis sind die zu regelnde Größe und die Vergleichsgröße
durch Spannungen dargestellt, welche einander entgegenwirken. In dem Falle, daß
diese einander gleich sind, wenn die zu regelnde Größe ihren Sollwert hat, kommt
in dem Schwingungskreis normalerweise nur ein Wechselstrom vor, und wenn die zu
regelnde Größe von ihrem Normalwert abweicht, wird ein Gleichstrom dem Wechselstrom
überlagert.
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Eine solche Anordnung kann in den Fällen verwendet werden, wo die
zu regelnde Größe als ein Spannungsabfall in den Schwingungskreis eingeführt wird.
In dem Falle aber, daß die zu regelnde Größe durch einen Gleichrichter eingeführt
wird, hat zweckmäßigerweise die Spannung, welche den Sollwert der zu regelnden Größe
därstellt, einen größeren Wert als die Vergleichspannung. Im Schwingungskreis wird
in diesem Falle normalerweise ein Gleichstrom fließen, und über diesem Gleichstrom
ist die @obengenannte Schwingung des Wechselstroms überlagert. Bei einer einsetzenden
Störung wird der Gleichstrom verändert, also auch die Schwingungsmittellage des
Wechselstroms. Der erste Fall kommt bei der Regelung von einer Gleichspannung vor,
während der zweite Fall bei Regelung von einer Wechselspannung in Frage kommt, und
dieser letztere Fall ist in der untenstehenden Beschreibung beschrieben.
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Die im Schwingungskreis normalerweise vorkommenden elektrischen Schwingungen
%verden, trotz der im Kreise vorliegenden Dämpfung, dadurch aufrechterhalten, daß
diese Schwingungen in einem mit dem Schwingungskreis magnetisch oder in anderer
Weise gekoppelten Stromkreis Veränderungen in Spannung oder Strom verursachen, welche
Veränderungen derart auf das die Schwingungen aufrechterhaltende Glied rückwirken,
daß die Schwingungen mit der von der Selbstinduktion und von der Kapazität bestimmten
Eigenschwingungszahl aufrechterhalten werden.
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Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anordnung für die Erreichung
einer völlig penäelungsfreien Regulierung, trotzdem dieselbe äußerst schnell ist.
Eine schnelle Regelung ist nur teilweise von der Geschwindigkeit des Ansprechens
abhängig und hängt hauptsächlich davon ab, -,eie groß die Regelgröße ist, die auf
Veranlassung des Reglers mittelbar oder unmittelbar die zu regelnde Größe auf ihren
Sollwert bringt. Da von einem Regler gefordert werden muß, daß er pendelungsfrei
arbeitet, muß die Anordnung so beschaffen sein, daß die beiden genannten Größen
völlig ausgenutzt werden können, ohne daß Pendelungen eintreten. Nach der Erfindung
wird, auch bei Verwendung einer sehr großen Regelgröße, eine vollkommen pendelungsfreie
Regelung dadurch erreicht, daß die Wirkung derselben zum Aufhören oder zur Änderung
ihrer Richtung in einem solchen Augenblick vor der Vollendung des Regelungsvorganges
gebracht wird, daß die zu regelnde Größe in ihren Sollwert aperiodisch hineingleitet.
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Es geschieht dies durch die Einführung einer ergänzenden Größe, die
an die die zu regelnde Größe darstellende Spannung, d. h. an das Abbild der zu rebelnden
Gröle, hinzugiefügt wird und dia beim Regeln zuerst von Null aus, hauptsächlich
nach einer Exponentialfunktion, an einen Wert ansteigt, der an das Abbild der geregelten
Größe hinzugefügt diese Summe dem Sollwert gleichmacht. In diesem Augenblick wird
die Richtung des Verlaufes der ergänzenden Größe umgekehrt, und die ergänzende Größe
fällt alsdann ebenfalls nach einer Exponentialfunktion auf den Wert Null zurück,
welchen Wert sie, wenn der Regelungsverlauf beendet ist, erreicht. Weil man in dieser
Weise sich einer sehr großen Regelgröße bedient, die im richtigen, durch die ergänzende
Größe bestimmten Augenblicke ihre Richtung umkehrt, wird die Beseitigung einer Störung
oder Abweichung der zu regelnden Größe in der denkbar kürzesten Zeit erreicht. Damit
man imstande ist, die Schnelligkeit der Regelung durch den genannten Regler auszunutzen,
ist es notwendig, daß das Regelglied ebenfalls sehr schnellwirkend ist. Zweckmäßig
besteht deshalb dieses Glied aus einem Elektronen- oder Ionenapparat, z. B. aus
einem gittergesteuerten Quecksilbergleichrichter, der entweder von dem zu. regelnden
Netz oder, besser, von einer besonderen Stromquelle gespeist wird. Dieser Elektronen-
oder Ionenapparat ist seinerseits mittelbar oder unmittelbar vom Regler gesteuert.
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Auf der beiliegenden Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung
gezeigt, wo I die Leitungen oder das Netz bezeichnet, dessen Spannung geregelt werden
soll. z ist ein Spannungswandler, und 3 ist ein Glühkathodengleichrichter. 4 ist
eine Akkumulatorenbatterie. 5 eine Drosselspule und 6 und 7 Kondensatoren. S ist
ein in den genannten Schwingungskreis eingefügter Widerstand, der an die Sekundärwicklung
eines Wandlers 9 angeschlossen ist. Die Kondensatoren 6 und 7 sind zwischen den
Glühkathoden io und i z und den Gittern z - und 13 zweier Glühkathodenventilröhren
14, 15 eingeschaltet, und parallel mit den Kondensatoren sind die Widerstände
17 und 18 eingeschaltet. Zwischen
den Gittern 14, 15 und den Endpunkten
der Widerstände sind zwei Gitterbatterien 16 eingeschaltet, und zwar in entgegengesetzter
Richtung. Die Anoden i9 und 2o der genannten Glühkathodenröhre sind in Reihe mit
der fremderregten Erregerwicklung einer selbsterregten Erregermaschine 22, die auf
die Erregerwicklung 23 einesmehrphasigenWechselstromgenerators 24 wirkt, an eine
Spannungsquelle 21 angeschlossen. Die Kathoden 3er Glühkathodenröhre sind an den
anderen Pol der Spannungsquelle 21 angeschlossen. Die Primärwicklung des Wandlers
9 ist über eine Drosselspule 25 an die Anoden ig und 20 der Glühkathodenröhre angeschlossen.
26 ist ein mehrphasiger Wechselstromgenerator mit der Erregerwicklung 27, die mit
dem Generator 24 so zusammengeschaltet ist, daß die Spannungen des ersteren senkrecht
zur Spannung des letzteren hinzugefügt werden. Die Summ; dieser Spannungen wird
den Gittern 28 eines Gleichrichters 29 aufgedrückt, dessen Anoden 30 über
einen Wandler 31 von einem Wechselstromgenerator 32 mit der Erregerwicklung 33 gespeist
werden. Sämtliche genannten Generatoren werden zweckmäßig von einem an das Netz
angeschlossenen Dreipliasenmotor 34 angetrieben. Der Gleichrichter 29 kann unter
gewissen Umständen unmittelbar von dem geregelten Netz aus gespeist werden, aber
es ist dies insofern nachteilig, als die Spannung des Gleichrichters von der Netzspannung
abhängig wird, wodurch die erforderliche Regelspannung bei größeren Belastungsstößen
oder Kurzschlüssen abnimmt oder verschwindet. Der Gleichrichter 29 speist die Erregerwicklung
35 des Generators 36 in der Weise, daß der eine Pol der Erregerwicklung an den sekundären
Nullpunkt 37 des Wandlers 31 angeschlossen ist, während der andere Pol über die
Luftdrosselspule 38 an die Kathode 39 des Gleichrichters angeschlossen ist.
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In gewissen Fällen kann die Drosselspule 25 zweckmäßig durch einen
sogenannten Gleichstromwandler ersetzt werden. DerAusdruck Gleichstromwandler bedeutet
eigentlich nur, daß der Wandler 9 mit wenig Kupfer in der Primärwicklung ausgeführt
worden ist, so daß beinahe der ganze Wicklungsraum von der Sekundärwicklung in Anspruch
genommen ist. Der Wandler 9 wird dann, wie die gestrichelten Linien zeigen, an die
die Erregerwicklung 35 speisenden Leitungen angeschlossen, und um die vom Gleichrichter
herrührende hohe Welligkeit des Stromes zu verhindern, den Regler zu beeinflussen,
wird in Reihe mit dem Wandler eine kleine Drosselspule 40 eingeführt. Außerdem wird
ein Kondensator 41 zwischen den Zuleitungen zum Wandler geschaltet. Die Anordnung
wirkt folgendermaßen. Wenn keine Spannung auf dem Netz i herrscht, erzeugt die Batterie
4 einen Gleichstrom durch die Sekundärwicklung des Wandlers 2, den Gleichrichter
3, die Spule 5, die Sekundärwicklung des Transformators 9 und durch die Widerstände
17 und 18. Wenn eine Spannung am Netz i herrscht, wird diese Spannung durch den
Wandler 2 dem Gleichrichter 3 zugeführt und dort in eine der Spannung der Batterie
4 entgegenwirkende Gleichspannung umgewandelt. Der Gleichstrom durch den genannten
Kreis wird in diesem Falle, wenn die Spannung des Gleichrichters 3 kleiner als die
Spannung der Batterie 4 ist, pfoportional der Spannungsdifferenz zwischen der Batterie
und dem Gleichrichter. Da die Spannungen der Batterien 16 entgegengesetzte Richtungen
haben, ist es möglich, durch eine geeignete Bemessung dieser Spannungen die Spannungen
an den Gittern für einen bestimmten Gleichstrom durch die Widerstände 17 und 18
gleichzumachen, und in bezug auf die Kathoden zwar so niedrig, daß sie den Anodenstrom
sperren. Wird nun durch eirieÄnderung der Spannung des Netzes i eine Änderung des
Gleichstroms eintreten, hört die sperrende Wirkung des einen Gitters auf, während
das andere Gitter noch sperrt. Dabei fließt ein Strom von dem Pluspol der Maschine
21 über die fremdgespeiste Wicklung 42 der Maschine 22 durch das eine Rohr zurück
zum Minuspol der Maschine 2i. Der Schwingungskreis 4, 2, 3, 5, 6, 7, der über die
Röhre 14, 15 mit dem die Wicklung 42 enthaltenden Kreis gekoppelt ist, ist auch
über die Drosselspulen 25 und den Transformator 9 mit diesem Kreis gekoppelt. Eine
Veränderung des Stromes vorn Generator 21 durch die Röhre und durch die Wicklung
42 ruft eine Veränderung des Spannungsabfalls über diese Wicklung hervor. Diese
Veränderung des Spannungsabfalls erzeugt einen veränderlichen Strom durch die Drosselspulen
25 und die Primärwicklung des Transformators g. In der Sekundärwicklung dieses Transformators
und somit in . dem Schwingungskreis wird zufolge dieser Stromveränderungen eine
entsprechende veränderliche Spannung in dem Schwingungskreis hervorgerufen. Der
Stromkreis, der die Drosselspulen 25 und den Transformator 9 enthält, wirkt somit
wie eine Rückkopplung, durch welche eine gewisse Energiemenge von dem Anodenkreis
der Röhre dem Schwingungskreis zugeführt wird, und diese Energiemenge wird genau
so schwanken wie die Spannungen an den Gittern 12 und 13. Durch die Wirkung der
Induktivitäten der Spule 42, Drosselspulen 25 und Transformator 9 werden die dem
Schwingungskreis vom Generator
21 zugeführten Spannungsimpulse
eine solche Phasenlage bekommen, daß sie die Veränderungen in dem Strom des Schwingungskreises
unterstützen. Ist die genannte Rückkopplung genügend stark, dann genügt eine geringfügige
Veränderung des Stromes im Schwingungskreis, das ganze System in Schwingungen zu
versetzen. Die Frequenz dieser Schwingungen wird hauptsächlich von der Induktanz
der Spule 5 und der Kapazitanz der Kondensatoren 6 und ,~ bestimmt. Diese Schwingungen
überlagern sich über den in dem Kreis fließenden Gleichstrom und bewirken solche
Veränderungen der Spannung an den Gittern, daß der Strom von dem Generator 21 abwechselnd
durch das eine und das andere Rohr geht.
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Damit der Regler bei normaler Spannung unabhängig von dem Belastungszustand
und unabhängig von der ihm entsprechenden Erregerspannung um eine bestimmte Normallage
schwingen soll, ist es erforderlich, daß das System ein Glied enthält, das die genannte
Erregerspannung mit einer Geschwindigkeit verändert, die der Abweichung der Schwingungsmittellage
des Reglers von jener Lage proportional ist, während die Erregerspannung selbst
von der Abweichung nicht abhängig ist, sondern, wenn der Regler um die Normallage
schwingt, jeden beliebigen Wert besitzen kann. Dieses Glied besteht bei dem mechanisch
schwingenden Regler aus der eigenerregten Erregermaschine selbst, aber in dem vorliegenden
System wird diese Aufgabe in entsprechender Weise von der eigenerregten Hilfserregermaschine
2z übernommen.
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Der Strom in der fremderregten Wicklung des Erregers a2 schwingt,
wie gesagt, um den Nullwert herum, was aber nicht ausschließt, daß der Erreger 22,
dank seiner eigenerregten Erregerwicklung, jede beliebige Spannung erzeugen kann,
die erforderlich ist, damit der Generator im gegebenen Belastungszustande die richtige
Erregung bekommen soll. Die Spannung, welche der Erreger 22 erzeugt, pulsiert um
den hierfür notwendigen Mittelwert, und dabei gibt der Generator 24. einen gewissen
ebenfalls pulsierenden Spannungsvektor, der senkrecht auf den von der Maschine 26
erzeugten konstanten Spannungsvektor steht. Hierdurch bekommen die Gitter eine resultierende
Spannung unter einem gervissen Phasenwinkel, der ebenfalls pulsiert. Der Mittelwert
der Phasenlage dieser Spannung verursacht, daß die verschiedenen Anoden des Quecksilbergleichrichters
29 bei solchen Zeitpunkten im Verhältnis zur Wechselspannung von dem Generator 32
zünden, bei denen der Gleichrichter eine gewisse, bestimmte Mittelgleichspannung
erzeugt, die ebenfalls im Takte der ursprünglichen Pulsationen pulsiert. Außerdem
gibt der Gleichrichter eine Pulsation der Frequenz des Generators 32, welche jedoch
so hoch ist oder so hoch gemacht werden kann, daß sie im Verhältnis zu den ebengenannten
verhältnismäßig langsamen Pulsationen keine Rolle spielt. Diese Gleichspannung treibt
durch die Erregerwicklung 35 denjenigen Erregerstrom, der erforderlich ist, damit
der Generator 36 im vorhandenen Belastungszustande die richtige Spannung erzeugt.
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Entsteht nun eine kleine Veränderung der zu regelnden Größe, dann
wird die Regulierung folgendermaßen ausgeführt. Die Spannung des Gleichrichters
3 hat sich geändert und somit auch der Gleichstrom in dem Schwingungskreis. Der
schwingende Wechselstrom wird deshalb um eine neue Mittellage schwingen. Da der
Gleichstrom verändert ist, sind auch die Gleichspannungen an den Kondensatoren 6
und 7 verändert, und zwar so, daß nunmehr das eine Elektronenventil länger brennt
als das andere. Dies bedeutet, daß ein Gleichstrom über den die fremderregte Wicklung
des Erregers 22 durchsetzenden schwingenden Strom überlagert wird. Es hat dies zur
Folge, daß die Spannung sich mit einer entsprechenden Geschwindigkeit verändert,
was wieder zur Folge hat, daß die von dem Gleichrichter auf die Wicklung 35 aufgedrückte
Erregerspannung sich mit einer entsprechenden Geschwindigkeit verändert. Gleichzeitig
wird über die auf die Drosselspule 25 aufgedrückte wechselnde Spannung eine konstante
Spannung überlagert. Diese konstante Spannungskomponente treibt durch die Drosselspule
25 und durch die Primärwicklung des Wandlers g einen Strom, der nach einer Exponentialfunktion
steigt. Dieser Strom wird zur Sekundärseite des Wandlers übertransformiert und gibt
an den Klemmen des angeschlossenen Widerstandes 8 eine ebenfalls nach einer Exponentialfunktion
steigende Spannung. Diese Spannung hat eine solche Richtung, daß sie in steigendem
Maße den Unterschied zwischen der Spannung des,Gleichrichters 3 und der Normalspannung
der Batterie 4. ausfüllt. Ehe der Regelvorgang zum Schluß geführt worden ist, sind
daher die Spannungen an den Kondensatoren 6 und 7 und somit an den Gittern gleich
dem Sollwert der zu regelnden Größe. Dies bedeutet, daß die Erregerspannung, die
zur Erreichung einer schnellen Regelung über den erforderlichen Endwert gestiegen
ist, Zeit hat, um auf den Endwert abzunehmen, ehe die Regulierung vollendet ist,
wodurch Pendelungen vollständig vermieden werden.
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Bei einer kleinen Störung der zu regelnden
Größe werden
die Elektronenventile abwechselnd gezündet und gelöscht. Wird aber die Störung größer,
so wird nur das eine Ventil dauernd gezündet bleiben, und dabei hören die Schwingungen
auf, aber derRegelvorgang wird trotzdem in der hoben beschriebenen Weise durchgeführt.
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Bei großen Senkungen der Belastung des Generators wird die von dem
Gleichrichter erzeugte Erregerspannung vorübergehend negativ werden, wodurch der
Erregerstrom schnell auf einen erforderlich niedrigen Wert absinkt, aber der Erregerstrom
wird nicht seine Richtung umkehren. Bei diesem Vorgang gibt der Gleichrichter zwar
eine negative Spannung, aber diese wirkt zufolge der in dem Felde auftretenden Feldänderungen
erzeugten positiven Spannung, . welche die Gleichrichterspannung überwiegt, entgegengesetzt,
so daß die Anoden eine positive Spannung im Verhältnis zu der Kathode behalten,
solange ein Erregerstrom überhaupt fließt. Dagegen kann der Erregerstrom nie negativ
werden,-da der Gleichrichter nur in einer Richtung Strom abgeben kann.
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Weil der Gleichrichter besonders bei niedriger Spannung eine sehr
spitze und unregelmäßige Kurvenform hat, ist es erforderlich, daß auf der Gleichstromseite
eine wirkungsvolle Drosselspule eingeschaltet ist, damit der Strom auf der Gleichstromseite
nicht Null werden soll, wenn die Spannung des Gleichrichters vorübergehend negativ
wird. Zu diesem Zweck ist die Erregerwicklung 35 nicht ausreichend dank der Wirbelstrombahnen
ihres Eisenkerns. Es ist deshalb notwendig, daß auf der Gleichstromseite eine Luftdrosselspule
38 eingeschaltet ist. Diese braucht aber nicht groß zu sein, denn die Änderungen
der Spannung, deren Wirkung auf den Strom verhindert werden soll, verlaufen sehr
schnell.
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Die Drosselspule 25 kann in der Weise, wie die gestrichelten Linien
zeigen, von einem sogenannten Gleichstromtransformator ersetzt werden. Dies bedeutet,
wie oben angegeben, nur "eine zweckmäßige Bemessung des Transformators g. Dieser
wird dann unmittelbar an die Erregerspannung für die Magnetwicklung 35 angeschlossen.
Zur Verhinderung, daß die von dem Gleichrichter erzeugten eben erwähnten Pulsationen
der Spannung auf den Regler und somit in seinem Schwingungskreis störend einwirken
sollen, ist in der Anschlußleitung zum Transformator g eine Sperranordnung eingeführt,
die aus einer mit der Primärwicklung des Transformators in Reihe geschalteten Dämpfspule
40 und einem mit dein Transformator parallel geschalteten Kondensator 41 besteht.
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In dem Falle, daß die zu regelnde Größe eine Gleichspannung ist oder
wenn eine Gleichspannung die zu regelnde Größe repräsentiert, ist der Gleichrichter
3 nicht erforderlich, sondern kann dann. von einem Widerstand oder einer Gleichstromquelle
ersetzt werden.
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Statt der oben beschriebenen Anordnung mit zwei so zusammengeschalteten
Mehrphasenmaschinen, deren Spannungsvektoren gegeneinander senkrecht stehen, kann
jede andere bekannte Anordnung für das Aufdrücken einer geeigneten Spannung auf
die Gitter des Gleichrichters benutzt werden, z. B. gesättigte Drosselspulen. Die
eben beschriebene Anordnung dürfte jedoch die zweckmäßigste sein, zumal rotierende
Maschinen kaum in dem System vermieden werden können. Der selbsterregte Erreger
22 ist nämlich ein notwendiges Glied in dem System und kann vielleicht von einer
Kombination von Glühkathodenröhren ersetzt werden, welche Kombination doch immer
mehr kompliziert und unzuverlässig als eine einfache rotierende Maschine sein muß.
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eEs ist klar, daß die Erfindung nicht zu der Verwendung eines Gleichrichters
für die Erzeugung des Magnetisierungsstromes begrenzt ist, denn der Regler kann
ebensogut unmittelbar oder über ein Zwischenrelais eine rotierende Erregermaschine
oder deren Schnellerreger beeinflussen.
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Statt dessen, daß die Spannungen, die die zu regelnde Größe und die
Vergleichsgröße repräsentieren, gesondert dem Schwingungskreis zugeführt werden,
kann eine einfache Spannung in den Schwingungskreis eingeführt werden, welche Spannung
dann ein gewisses Verhältnis zwischen den genannten Größen oder zwischen den diese
Größen repräsentierenden Spannungen darstellt. So kann z. B. in den Schwingungskreis
eine Spannung eingeführt werden, die die Differenz der Betriebsgröße und der Vergleichsgröße
repräsentiert. -