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Anordnung zur Regelung von Betriebsgrößen mit Hilfe von gittergesteuerten
Entladungsgefäßen Zur Spannungsregelung in Wechselstromkreisen ist bereits vorgeschlagen
worden, den Arbeitspunkt einer im Wechselstromkreis liegenden Induktivität (Drosselspule,
Transformator) auf der Magnetisierungslinie mittels eines gittergesteuerten Entladungsgefäßes
zu verändern, dessen Gitterspannung von der Höhe .der Betriebsspannung abhängig
ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Regelung von Betriebsgrößen
mit Hilfe von gittergesteuerten Entladungsgefäßen unter Verwendung eisenhaltiger
Drosselspulen in-Verbindung mit Kondensatoren zur Entnahme der Gitterspannung, wobei
die Anordnung vorzugsweise dazu dienen soll, eine Spannung mit Hilfe von zwei gittergesteuerten
Entladungsgefäßen zu regeln, welche den Gleichstrom für die Vormagnetisierung von
im Stromkreis liegenden Induktivitäten liefern. Erfindungsgemäß wird bei einer derartigen
Regelanordnung das Gitter des. Entladungsgefäßes von einer Spannung beeinflußt,welche
einer auf die Kippgrenze eingestellten, aus einer durch die Wechselstrom= amperewindungen
gesättigten Drosselspule und einem Kondensator bestehenden Schaltung entnommen wird.
Man kann dadurch erreichen, daß sich die Phase der Gitterspannung schon bei geringen
prozentualen Änderungen der angelegten Spannung um mehr als 9o° verdreht, so daß
eine sehr genaue Konstanthaltung der Spannung möglich ist. Mit der Verschiebung
der Gitterspannung verschiebt sich auch der Einsatzpunkt des Anodenstromes und damit
in gewünschter Weise die Höhe der gleichgerichteten Spannung in Abhängigkeit von
der Größe der konstant zu haltenden Spannung. Statt der auftretenden Phasenverschiebung
kann auch die auftretende Amplitudenänderung des spannungsempfindlichen Kreises
zur Gittersteuerung verwendet werden, womit man auch eine sehr genaue Konstanth.altung
der Spannung erzielen kann, ohne daß große Steuerleistungen erforderlich sind.
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Es ist an sich bekannt, die Steuerspannung für steuerbare Entladungsgefäße
einer Schaltung zu entnehmen, welche eisenhaltige Drosselspulen in Verbindung mit
Kondensatoren enthält. Einer bekannten Schaltung dieser Art liegt die Aufgabe zugrunde,
die Phasenlage der Steuerspannung von der Belastung abhängig zu machen. Mit Hilfe
einer an eine Wechselspannung angeschlossenen Reihenschaltung komplexer Widerstände
wird dabei eine Wechselspannung gebildet, deren Phasenlage sich ändert, sobald sich
einer dieser komplexen Widerstände ändert. Als veränderlicher Widerstand dient eine
eisenhaltige Drosselspule, welche mit Gleichstromvormagnetisierungswicklungen
ausgerüstet
ist. Der lIagnetisierungsstroni dieser Wicklungen ist abhängig von dem Belastungsstrom
des Gleichrichters, und dementsprechend ändert sich auch die Induktivität der Drosselspule
und mit ihr die Phasenlage der Gitterspannung in Abhängigkeit von der Belastung.
Bei dieser bekannten Regelanordnung handelt es sich bei der Reihenschaltung aus
eisenhaltiger Drosselspule und Kondensator nicht um eine kippfällige Schaltung.
Die Reihenschaltung wirkt nicht als spannungsempfindliche, auf die Kippgrenze eingestellte
Schaltung, weil die eisenhaltige Drosselspule nicht wie bei der Erfindung durch
die Wechselstromamperewindungen, d. h. durch den eigenen Wechselstrom, in den Zustand
der Sättigung gebracht ,vird.
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In Fig. i ist ein kippfähiger Kreis, der in bekannter Weise aus der
Reihenschaltung .der gesättigten Drosselspule i, des Kondensators 2 und des Ohmschen
Widerstandes 3 besteht, dargestellt. Der kippfähige Kreis dient gemäß der Erfindung
zur Beeinflussung des Gitters von Entladungsgefäßen. Diese Reihenschaltung aus der
Drosselspule, .dem Kondensator und dem Ohmschen Widerstand liegt an der Spannung
U".
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In Fig.2 ist die Abhängigkeit der Spannung UD der gesättigten Drosselspule;
der Spannung UB des Kondensators und der Spannung UR des Widerstandes in Abhängigkeit
vom Strom J dargestellt. Ferner sind in der Figur eingetragen die Absolutwerte der
Vektorsummen (UD -f- UC) und U" = (UD + Uc) UR, wobei (UD -[- Uc) und UR
aufeinander senkrecht stehen. Die Bemessung wird nun so getroffen, daß die Spannung
U" in einem gewissen Bereich nur sehr wenig ansteigt, so daß sich der Strom bei
einer geringeren Änderung der Spannung U" in weiten Grenzen ändert. Es gibt unendlich
viele zusammengehörige Werte des kapazitiven und des Ohmschen Widerstandes, bei
denen U", wie gewünscht, eine annähernd horizontale Wendetangente besitzt, und zwar
verlangt bei einer gegebenen Drosselspule eine Verkleinerung der Kondensatorkapazität
eine Vergrößerung des Ohmschen Widerstandes und umgekehrt. Man wählt nun die Größe
.der Kondensatorkapazität und diejenige des Ohmschen Widerstandes so, daß auf dem
horizontalen Teil der Kurve für U" die Drossel bis zu ihrer höchstmöglichen Belastung
ausgenutzt wird. Der Phasenwinkel zwischen U" und J ist durch
bestimmt und ist in Fig. 3 als Funktion von J dargestellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich,
nimmt der Strom J ini Arbeitsbereich bei einer geringen Zunahme von U" (einige Prozent)
sehr stark zu, und damit verändert sich auch der Winkel r/, um ungefähr 3o°. Durch
geeignete Zusaiuniensetzung der Spannungen U", UD, C,; und UR oder von Teilspannungen
derselben erhält man Spannungen, die sich um einen viel größeren Winkel drehen,
und zwar bei zunehmendem U" in dem einen oder anderen Sinne.
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Das Diagramm in Fig.4 enthält die Spannung U" bzw. einen Bruchteil
davon und die Spannung UR, die mit wenig steigender Spannung U" sehr stark zunimmt,
entsprechend den Punkten A, B, C, D. Die Spannung U,
welche gleich
ist'-' U" + UR, ist vom Punkt A
bis Punkt D annähernd konstant und nimmt zwischen
den Punkten A und D eine Verdrehung gegenüber U" um nahezu 9o° vor.
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Eine mit steigender Spannung U" bzw. mit steigendem Strom J gegenüber
der Netzspannung U" mehr und mehr nacheilende Spannung wird durch geeignete Zusammensetzung
der Spannungen UD, U C und UR oder von Teilen derselben z. B. durch Addition
eines Teiles der Spannung UD, eines Teiles der Spannung UC oder der vollen Spannung
UC und eines Teiles der Spannung UR erhalten. Bildet man beispielsweise die Steuerspannung
U durch
so erhält man, wie in Fig. 5 dargestellt, für einen kleinen Strom die Spannung
uni 9o° voreilend gegenüber der Spannung
und die Steuerspannung, die gleich ist der Strecke OB der Spannung, um etwa
loJ gegenüber der Spannung U" nacheilend. In der Mitte des Arbeitsbereichs ist die
Spannung U, am Kondensator so weit gewachsen, daß die Vektorsumme
ist und somit die Steuerspannung
um etwa 5o° gegen die _N etzspannung U" nacheilt (Strecke OF). Bei noch größerem
Strom J eilt die Spannung
um go' gegen die Spannung
nach, und damit eilt die Steuerspannung U (O G) um etwa i io° gegenüber der
Netzspannung U" nach.
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Die letztere Anordnung für die Erzeugung der Steuerspannung ist in
Fig. 6 verwendet zur Konstantlialtung der Spannung U_ eines nicht dargestellten
Abnehmers. An die Netzspannung U1 ist ein Spannungsteiler angeschlossen,
der
aus den Transformatoren 17, 21, 25 und 2g besteht. Die Priniä rwicklungen IS, 22,
26 und 30 sind in Reihe geschaltet. Die Sekundärwicklungen ig, 23, 27 und
3i liegen in Reihe im Stromkreis des an U@ angeschlossenen Verbrauchers. Die Wicklungen
ig und 23 erzeugen negative, die Wicklungen 27 und 31 positive Zusatzspannungen.
Im Ausführungsbeispiel ist eine Spartransformatorschaltung angewendet, so daß die
Sekundärwicklungen i9 und 23 gleichzeitig einen Teil der Primärwicklungen bilden.
Man könnte aber auch die Primärwicklungen 18, 22, 26 und 30 unmittelbar an
die Spannung U1 anschließen. Die Transformatoren besitzen außerdem noch Gleichstromwicklungen
2o, 2d., 28 und 32. Die Gleichstromwicklungen 20 und 2-. und die Gleichstromwicklungen
28 und 32 sind so geschaltet, daß sich die EMKK der Grundfrequenz im Gleichstromkreis
aufheben. Statt je zweier Transformatoren 17, 21 bzw. 25, 29 könnte man auch je
einen Transformator verwenden, der einen dreischenkligen Eisenkern besitzt, auf
dessen Mittelschenkel -die Gleichstromwicklung und auf dessen Außenschenkel die
Wechselstrom-_wicklung aufgebracht ist. 1Zan könnte auch die Gleichstromwicklung
auf den Außenschenkeln, die Wechselstrom-,vicklung auf dem Mittelschenkel anbringen.
Es kann auch ein 5-Schenkel-Kern für alle Transformatoren verwendet werden, dessen
Mittelschenkel unbewickelt ist und dessen übrige Schenkel je .die Spannungsteiler-,
Gleichstrom-, Zusatz-oder Absatzwicklungen besitzen. Der Mittelschenkel kann auch
-die zu einer einzigen Wicklung zusammengefaßten Primärwicklungen tragen, die von
der Netzspannung erregt werden. Die übrigen Schenkel tragen dann die Gleichstrom-
und Zusatz- oder Absatzwicklungen. 7 ist ein Gleichrichter, der von dem Hilfstransformator
16 gespeist -wird. Er besitzt zwei gesteuerte Anoden 8 und g (Gitter io und ii)
und zwei nichtgesteuerte Anoden i2 und 13. Die gesteuerten Anoden 8 und g liefern
den Gleichstrom für die Gleichstromwicklungen2o und 24, die ungesteuerten Anoden
i2 und 13 den Gleichstrom für die Gleichstromwicklungen 28 und 32. Die Zündelektrode
ist im Ausführungsbeispiel nicht dargestellt. Je nachdem die Transformatoren 17,
21 oder 25, 29 am stärksten vormagnetisiert sind, ist im Leerlauf die Spannung U.
größer oder kleiner als die Spannung U, Die Gitterspannung für die Gitter io und
ii wird über den Wandler 6 zugeführt. Die Primärwicklung dieses Wandlers ist an
je einen Anzapfpunkt der gesättigten Drosselspule und des Ohmschen Widerstandes
3 so angeschlossen, daß .die Gitterspannung den in Fig. 5 dargestellten Verlauf
erhält. . Zur Fernhaltung der Oberwellen in der Steuerspannung sind ein Olinisclier
Widerstand 4. und ein Kondensator 5 vorgesehen, welch letzterer mit dem Transformator
6 auf Resonanz für die Grundwelle abgestimmt ist. Den Gittern des Gleichrichters
7 sind in üblicher Weise Widerstände r4 und i 5 vorgeschaltet.
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Die gesteuerten Elektroden 8 und g brennen über einen Winkel von iSo°,
da sie eine Induktivität speisen und um i8o° nacheinander gezündet werden. Durch
die Induktivität wird nämlich der Strom aufrechterhalten, auch nachdem die Spannung
negativ geworden ist, bis dann nach einem Winkel von iSo° die andere Elektrode gezündet
wird und den Strom übernimmt. Bei kleiner Spannung U. eilt, wie aus Fig. 5 ersichtlich,
in der die \etzspannung U" der Spannung U@ entspricht, die Gitterspannung U wenig
gegen die Spannung U= nach so daß, wie aus Fig. 7 ersichtlich, .die Elektrode 8
bzw. g fast während der ganzen positiven Halbwelle brennt, wodurch in gewünschter
Weise eine hohe Vormagnetisierung der Transformatoren 17 und 21 erreicht wird. Ist
die Spannung U2 höher, so eilt die Gitterspannung U der Anodenspannung mehr nach,
beispielsweise, wie in der Fig. 8 dargestellt, um 9o°, so -daß der «wirksame Gleichstrom
in den Wicklungen 2o und 24 Null wird, da die mittlere wirksame Gleichspannung \u11
geworden ist. Bei noch größerer Nacheilung der Gitterspannung U gegenüber der Spannung
U2 wird die wirksame Gleichspannung negativ, @d. h. ein bereits vorhandener Vormagnetisierungsstrom
wird durch diese Gegenspannung rasch auf \7u11 gebracht.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende Ist die Spannung U= zu
klein, so werden, wie erwähnt, die Transformatoren 17 und 21 sehr stark vormagnetisiert,
die von ihnen gelieferte negative Zusatzspannung wird daher sehr klein. Die Transformatoren
25 und 2g liegen an einer sehr großen Spannung, so daß die von ihnen gelieferte
positive Zusatzspannung sehr hoch ist. Bei großer Spannung U= dagegen wird die Vormagnetisierung
der Transformatoren 17 und 21 zu Null, so daß diese eine hohe negative Zusatzspannung
liefern, während die von den Transformatoren 25 und 2g gelieferte positive Zusatzspannung
nur sehr gering ist.
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Statt hierbei die Vormagnetisierung der Transformatoren 25 und 29
konstant zu halten, kann man sie auch abhängig machen von der Differenz aus der
nahezu konstanten ungesteuerten Gleichspannung, welche durch Gleichrichtung von
U= erhalten wird, und der gesteuerten Gleichspannung derart, daß sie bei der niedrigsten
Verbraucherspannung U=
des Regelbereichs gleich Null wird. Zu diesem
Zweck kann man den von den ungesteuerten Anoden 12 und 13 ausgehenden Strom
über einen Widerstand leiten und ebenso auch den von den gesteuerten Anoden io und
ii ausgehenden Strom und kann an geeigneten Punkten dieser Widerstände den Vormagnetisierungsgleichstrom
für die Wicklungen 28 und 32 abnehmen. Gegebenenfalls kann man auch im Stromkreis
der Wicklungen 28 und 32 ein Ventil anordnen, um eine wegen der obengenannten Differenzbildung
mögliche Vorzeichenumkehr des Vormagnetisierungsstromes zu vermeiden.
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Man kann auch die Transformatoren 25 und 29 ohne Vormagnetisierung
arbeiten lassen. Die Einstellung wird dann z. B. durch entsprechendes Übersetzungsverhältnis
der Transformatoren 17,:21, 25 und 29 oder durch Einfügung eines Luftspaltes in
die Transformatoren 25 und 29 so getroffen, .daß sich die negativen und positiven
Zusatzspannungen in der Mitte des Regelbereiches aufheben.
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Statt der Einfügung von besonderen Zusatzspannungen im Stromkreis
könnte man auch beispielsweise in Reihe in den Stromkreis eine Drosselspule schalten,
deren Vormagnetisierung abhängig ist vom Strom der gesteuerten Elektroden 8 und
9. Bei .kleiner Spannung UZ wird dann die Vormagnetisierung erhöht, so daß die Spannung
wieder ansteigt.
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In Fig. 9 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
bei der wieder Transformatoren 17, 21, 25 und 29 verwendet sind. Im Gegensatz
zu der Anordnung nach Fig. 6 wird hierbei -die Vormagnetisierung sowohl der Transformatoren
17 und 2i als auch der Transformatoren 25 und 29 in Abhängigkeit von der Höhe der
konstant zu haltenden Spannung geändert. Zu diesem Zweck ist ein gittergesteuertes
Entladungsgefäß 4o vorgesehen, das von einem Transformator 16 gespeist wird und
dessen Anoden 41 und 43 die Wicklungen 28 und 32 speisen, während die Anoden 45
und 47 die Wicklungen 20 und 24 speisen. Die Gittersteuerung erfolgt bei dieser
Anordnung in etwas anderer Weise, und zwar in Abhängigkeit von den Amplitudenwerten
der am kippfähigen, spannungsempfindlichen Kreis, der aus der gesättigten Drosselspule
i, dem Kondensator 2 und dem Ohmschen Widerstand 3 besteht, abgenommenen Spannungen.
Die Gittersteuerung erfolgt in der Weise, daß ein Gitterkondensator, welcher sich
während der negativen Halbwelle auflädt, in eine Spannungsquelle entladen wird,
deren Spannuni; abhängig ist von der Spannung des hippf'ihi";en Kreises. Zu diesem
Zweck wird ein Teil der Spannung .an der Drosselspule i über einen Gleichrichter
72 einem Kondensator 70 zugeführt und ein Teil der an dein Olimschen Widerstand
3 liegenden Spannung über einen Gleichrichter 73 einem Kondensator 7i. Die Kondensatoren
werden im entgegengesetzten Sinne aufgeladen. Die Abgriffe sind so gewählt, daß
bei hoher Verbraucherspannung U2 der positive Wert der am Ohmschen Widerstand 3
abgenommenen Spannung größer ist als der negative Wert, der an der gesättigten Drossel
i abgenommen wird. Die obere Belegung des Kondensators 70 ist über Widerstände
53 und 54 mit den Belegungen der Kondensatoren 51 und 52 verbunden, die an die Gitter
42 bzw. 44 angeschlossen sind. Die anderen Belegungen dieser beiden Kondensatoren
liegen an der unteren Belegung des Kondensators 71. Die Gitter 42 und 44 sind ferner
über die Gleichrichter 5o und 49 so mit den Anoden 41 bzw. 43 verbunden, daß sich
bei negativer Halbwelle die Gitterkondensatoren negativ aufladen.
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In Fig. io ist. der Verlauf der Kennlinien dargestellt. U3 ist die
an der Anode 41 herrschende Wechselspannung. In ihrer negativen Halbwelle, wenn
also die Anode 43 brennt, wird der Kondensator 51 über den Gleich= richter 50, die
Transformatorwicklung, die Anode 43 und die Kathode des Gleichrichters 4o negativ
aufgeladen, beispielsweise bis zu dem Punkt P, der dem Scheitelwert der negativen
Anodenspannungshalbwelle entspricht. Von diesem Punkt ab wird dann der Gleichrichter
49 nur in der Sperrichtung beansprucht, und der Kondensator 5 r sucht sich über
die an den Kondensatoren 70 und 71 herrschende Spannung zu entladen. Je nach
der Höhe der dort herrschenden Spannung erfolgt der Anstieg -der Gitterspannung
U steiler oder weniger steil, wie durch die zwei Kurven, deren untere mit U bezeichnet
ist, in Fig. io dargestellt ist. Sobald die Kurve der Spannung am Gitter 42 die
Nullinie schneidet, wird die betreffende Anode gezündet. Die Zündung erfolgt also
um so früher, je höher die Gesamtspannung an den beiden Kondensatoren
70 und 71 ist, d. h. der Gleichstrom für die Vormagnetisierungswicklungen28
und 3a ist um so größer, je größer die Spannung U= ist. Die Steuerung .des Gitters
44 erfolgt in genau derselben Weise. Sobald der Augenblickswert der Spannung U"
wieder negativ wird, werden die Kondensatoren 51 und 52 wieder, da sie ohne Vorwiderstand
an die Anodenspannung angeschlossen sind, negativ aufgeladen, und das Spiel wiederholt
sich dann von neuem.
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Zur Steuerung der Gitter 46 und 48 dienen die Kondensatoren 58 und
59, die durch die Gleichrichter 56 und 57 mit den Anoden 45
und
47 verbunden sind. Die Kondensatoren können sich in eine Spannungsquelle entladen,
die durch die Kondensatoren 74 und 7 5 gebildet sind, die über je einen Gleichrichter
76 bzw. 77 von der Sekundärwicklung 78 der Drossel t bzw. über den Transformator
79
von einem Teil der Spannung an dem Ohmschen Widerstand 3 'geladen werden.
Die Schaltung ist dabei so getroffen, daß, sobald U2 unter den Normalwert sinkt
die positive Spannung am Kondensator @4. die negative Spannung am Kondensator 75
überwiegt. Die eine Belegung der Kondensatoren 58 und 59 führt zur unteren Belegung
des Kondensators 75, die andere Belegung des Kondensators 58 ist über den Widerstand
6o, die andere Belegung des Kondensators 59 über den Widerstand 6t mit der oberen
Belegung des Kondensators 74 verbunden. Die Wirkungsweise der Gittersteuerung ist
entsprechend, wie vorher für die Gitter 42 und 44 beschrieben, nur erfolgt -die
Steuerung so, daß der Zündzeitpunkt um so früher auftritt, je niedriger die Spannung
U, ist. 62, 63, 64 und 65 sind Entladewiderstände.
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Die Haltelichtbögen und die Zündelektroden für den Gleichrichter 4o
sind nicht dargestellt.
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In den Ausführungsbeispielen ist eine gittergesteuerte Röhre mit"
mehreren Elektroden verwendet. : Man kann aber auch Einzelröhren verwenden.
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Die Anwendung der Erfindung ist nicht beschränkt auf die dargestellten
Ausführungsbeispiele, bei denen .die Zu- und Absatzspannungen durch Transformatoren
erzeugt werden, sondern die Erfindung kann überall da angewendet werden, wo die
Spannung durchrVornnagnetisierung einer im Stromkreis liegenden Induktivität geändert
wird.
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Auch der kippfähige Kreis kann in anderer Weise ausgebildet werden.
Beispielsweise könnte man -die gesättigte Drosselspule und den Kondensator parallel
schalten und diese Parallelschaltung über eine verhältnismäßig große ungesättigte
Drosselspule von der Spannung erregen und die Steuerspannung aus Spannungen zusammensetzen,
welche den in den einzelnen Elementen fließenden Strömen proportional sind.
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Die Erfindung kann auch angewendet werden, wenn andere Betriebsgrößen
konstant gehalten werden sollen, beispielsweise der Strom in einer Leitung. Es wird
dann beispielsweise an Stelle eines Spannungsresonanzkreises ein Stromresonanzkreis
in den Zug der-Leitung eingeschaltet und durch geeignete Zusamensetzung von Spannungen,
welche den Teilströmen proportional sind, die Steuerspannung für den Gleichrichter
gewonnen. Die Anordnung kann auch beispielsweise dazu verwendet werden, um die von
einem Generator erzeugte Spannung konstant zu halten. Der Gleichrichter speist dann
die I?rregerwicklung des Generators oder die Erregerwicklung der Erregermaschine.
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In den Ausführungsbeispielen ist die Erfindung auf einphasige Anordnungen
angewendet. Sie kann in sinngemäßer Erweiterung auch bei Drei- und Mehrphasenanordnungen
Anwendung finden.