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Einrichtung zur Drehzahlreglung mittels eines Ward-Leonard-oder eines
Zu- und Gegenschaltungs-Aggregates Zur Feldregelung bei Gleichstrommaschinen (Dynamo
und Motoren) werden heute allgemein Feldregler verwendet, mittels welcher der Erregerstrom
durch stufenweise Zu-und Abschaltung von Widerständen in entsprechenden Grenzen
verändert wird. Die Stufenzahl dieser Feldregler .muß dem jeweiligen Zweck angepaßt
werden. So benötigt man bei Gleichstrom-Leonard-Sätzen oder ,bei Zu- und Gegenschaltungs-Aggregaten,
wie sie beispielsweise zum Antrieb von Motoren zur Drehzahlregelung in weiten Grenzen
für. Papiermaschinen, Textilmaschinen u. dgl. mehr verwendet werden, häufig Regler
mit mehreren hundert Kontakten. Derartige Regler sind sehr teuer und erfüllen in
vielen Fällen trotzdem nicht die Ansprüche, die an die Feinstufigkeit der Regelung
gestellt werden. Hinzu kommt noch, daß oft die Forderung nach genauer Einhaltung
einer trotz Belastungs- und Netzspannungsschwankungen konstanten Drehzahl gestellt
wird. Diese Forderung läßt sich vielfach nur durch Verwendung sogenannter Schnellregler
erfüllen, die ihrerseits .auf den Feldregler einwirken. Dabei kommt es vor, daß
selbst bei Verwendung feinstufiger Feldregler die passende Stufe nicht vorhanden
ist, so daß ein dauerndes Pendeln zwischen zwei Stufen eintritt.
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Bei der Erfindung, die sich auf eine Einrichtung zur Drehzahlregelung
mittels eines
Ward-Leonard- oder eines Zu- und Gegenschaltungs .Aggregates,
insbesonders für Pa, piermaschinenantriebe, bezieht, werden die vorgeschriebenen
Mängel der üblichen Feldregler durch Einführung einer stufenlosen Feldregelung beseitigt,
und zwar wird eifindungsgemäß sowohl bei der Dynamo als auch beim Motor des Aggregates
das Feld der Maschine selbst oder einer zugehörigen Erregermaschine von einer gleichgerichtetenein-oder
rnehrphasigenWechselspannung gespeist, wobei diese beiden Wechselspaimungen mittels
einer mechanisch bewegten und auf rein induktivemWege wirksamen Regelanordnung derart
in zwangsläufiger gegenseitiger Abhängigkeit durch Betätigung eines gemeinsamen
Verstellorgans regelbar sind, daß der gesamte, durch Spannungserhöhung der Dynamo
und Feldschwächung des Motors erzielte Regelbereich völlig stufenlos durchlaufen
wird. Als induktiv wirksame %Iittel zur stufenlosen Regelung der Wechselspannungen
kommen vor allem einphasige oder mehrphasige Drehtransformatoren, Drosselspulen
mit veränderlichem Luftspalt oder z. B. auch Schubtransformatoren in Betracht. Werden
nicht die Felder der Maschinen selbst, sondern die Felder zugehöriger Erregermaschinen
in der erfindungsgemäßen Weise geregelt, so können Gleichrichter und Regelorgane
wesentlich kleinerer Leistung verwendet werden.
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Es ist schon eine Anordnung bekannt, bei der die Drehzahl eines Gleichstrommotor:
dadurch stufenlos geregelt wird, daß sowohl der Anker als auch die Feldwicklung
aus je einem gittergesteuerten Gleichrichter gespeist und mittels eines den beiden
Gittersteuereinrichtungen gemeinsamen Verstellorgans beim Durchlaufen des Regelbereiches
zunächst die Ankerspannung erhöht, dann das Feld und hierauf nochmals die Ankerspannung
erhöht wird. Gegenüber diesr bekannten Anordnung besitzt die Erfindung, bei der
nur eine mittelbare Regelung der Spannung des Motorankers vorgenommen wird, den
Vorteil. daß zur Gleichrichtung Entladungsgefäße ohne Steuergitter, vorzugsweise
jedoch Trockengleichrichter verwendet werden können und daß die Gleichrichter durchweg
nur für die Erregerleistungen der Maschinen selbst oder ihrer Erregermaschinen bemessen
zu werden brauchen.
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Fig. i zeigt ein Anwendungsbeispiel der Erfindung für einen Regelantrieb
mit Ward-Leonard-Steuerung. Die Ankerspannung der Steuerdynamo .I wird stufenlos
mittels eines @i'ecliselstrom-Regelorgans i geregelt, das über den Gleichrichter
2, wie gezeichnet, die Feldwicklung 3 der Dynamo d. oder aber die Feldwicklung einer
Erregermaschine der
| Dynamo.[ speist. In gleicher Weise läßt |
| sich auch die Erregung des Motors 5 regeln. |
| Der gewünschte Gesanit-Drehzahlregelbereich |
| ist hierbei in an sich bekannter Weise der- |
| art aiif.eteilt.. daß ein Teil durch die Rege- |
| lung der Ankerspannung und der Rest durch |
| Feldschwächung am Motor erhalten wird. |
| L"in nun den gesamten Regelbereich durch Be- |
| tiitigung eines einzigen Regelorgans zu be- |
| herrschen, kann man die in Fig. i als Bei- |
| spiel gezeigten beiden Drehtransformatoren |
| mechanisch über ein Za-hnseginent derartig |
| kuppeln, daß dieses Zahnsegment zunächst |
| ausschließlich mit einem Zahnrad oder Zahn- |
| segment, das mit der Welle des ersten Dreh- |
| reglers gekuppelt ist, in Eingriff kommt uni |
| diesen bis zur Sf°llung für die liiicliste Span- |
| nen" verstellt, wonach das Zahnsegment mit |
| dein ersten Drehregler außer Eingriff, jedoch |
| finit (lein Zahnsegment des z\velten Dreh- |
| reglers iii Eingriff kommt und diesen ent- |
| sprechend einer Spannungsverringerung ver- |
| stellt. Fig. 2 zeigt diese mechanische Anord- |
| nung schematisch angedeutet. Die Dreh- |
| reglerwellen sind mit i i, das '\'erstellorgan |
| finit 12 bezeichnet. Das Festhalten der Dreh- |
| reglerwellen in der Endstellung kann zweck- |
| mäßig mit einer dem bekannten Malteserkreuz |
| ähnlichen Anordnung erfolgen. |
| Ertindungsgemäß kann man hei der Auf- |
| teilung des erforderlichen Gesaintregelhe- |
| reiches mit einem einzigen Regler zur stufen- |
| losen Spannungsregelung das Auslangen fin- |
| den, indem man den L'rnstand zunutze anacht, |
| daß- das Feld des Motors konstant bleibt, so- |
| lange das Feld der Steuerdynamo geregelt |
| wird und umgekehrt. Dementsprechend wird |
| eine Konstantspannungsquelle und eine regel- |
| bare Spannungsquelle vorgesehen, wobei die |
| malifinale Spannung der regelbaren Span- |
| nungsquelle der konstanten Spannung gleich |
| gewählt wird. Bei Erreichung der Span- |
| nungsgleichheit kann man ohne weiteres die |
| entsprechenden Klemmen der beiden Gleich- |
| richter wechselstromseitig verbinden. Mit |
| Hilfe eines entsprechend ausgebildeten Schalt- |
| gerätes kann dann jenes Feld bzw. jener |
| Gleichrichter. die bisher an der Konstant- |
| spannungsquelle lagen, auf die veriinderliche |
| Spannungsquelle umgeschaltet «-erden tin(1 |
| uingelc°hrt. Dabei kann wiederum mit einem |
| einzi-en Betätigungsorgan die Regelung von |
| der tiefsten bis zur höchsten Drehzahl vor- |
| geiiolntiien werden. Die Umschaltung des |
| erforderlichen Schaltgerätes muß dann ent- |
| sprechend mechanisch oder init Hilfskontak- |
| ten auf eine Schützensteuerung wirkend er- |
| folgen. |
| Eine besonders einfache Schaltanordlimig |
| mit mechanischer L`mschaltung zeigt Fig. 3. |
| In dieser bedeutet 4 einen Transformator, der |
die vorhandene Netzspannung auf den für den Gleichrichtenbetrieb
,günstigsten Wert transformiert. Dieser Transformator stellt die Konstantspannungsquelle
dar. r bedeutet einen Drehtransformator, dessen Primärteil gleichfalls am vorhandenen
Netz liegt und dessen Sekundärteil eine Spannung liefert, die halb so groß ist als
die Sekundärspannung des Transformators 4. Dieser Sekundärteil des Drehtransformators
ist nun mit der halben Sekundärwicklung des Transformators 4 in Reihe geschaltet.
Durch '\Terdrehen des Sekundärteiles .des Drehtransformators erhält man somit an
den Klemmen t%1, 1'1 eine Spannung, die stufenlos von Null bis zum Wert der Sekundärspannung
an .den Klemmen Ui, Ir des Transformators .l verändert werden kann. Die konstante
und die veränderliche Spannung wird nun über einen Walzenschalter 5 den beiden Gleichrichtern
zugeführt. Mit Hilfe der beiden unterbrochenen Schienen a und
b am Walzenschalter
erfolgt die Vertauschung der beiden Gleichrichter hinsichtlich der Speisung von
der konstanten- bzw. von der veränderlichen Spannungsquelle. Die Vertauschung darf
nur dann erfolgen, wenn die veränderliche Spannung den. gleichen Wert erreicht hat
wie die konstante Spannung. Dies gelingt in einfachster Weise, indem man die Drehung
des Walzenschalters von der Drehung der Welle des Drehtransformators ableitet, z.
B. -dadurch, daß man den Walzenschalter direkt auf die Welle setzt. Die Unterbrechungen
an den Schienen a und b müssen dann in jener Stellung vorgesehen werden, in welcher
der Drehregler seine Maximalspannung liefert. Zweckmäßigerweise werden an der Primärwicklung
des Transformators 4 einige Anzapfungen vorgesehen, an .die man wahlweise die eine
Verbindung zur Primärwicklung des Drehtransformators legt, um den Spannungsabfall
bei Belastung auszugleichen. Durch bloße Verstellung des Drehtransformators erhält
man auf diese Weise die gewünschte kombinierte Feldregelung für Steuerdynamo und
Motor.
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In Fig. 3 a ist eine Variante gegenüber der Fig. 3 dargestellt, bei
welcher die Konstantspannung von einem vorhandenen Gleichstromnetz, einer Erregermaschine
o. dgi. .ge-
liefert wird. .
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In Fig. i und 3 wurde die stufenlose Regelung bei Verwendung der Ward-Leonard-Schaltung
erläutert. Selbstredend .kann man diese Regelung- in sinngemäßer Weise auch für
die Zu- und Gegenschaltung ausbilden. Während bei der Wärd@Leonard-Schaltung die
Erregung im Feld der Steuerdynamo von Null bis auf einen Maximalwert verändert wird,
muß bei der Zu- und Gegenschaltung die Erregung der Steuerdynamo von einem Maximal-,vert
über Null wieder auf den Maximalwert gebracht werden, wobei beim Durchgang durch
Null der Feldsinn umgekehrt werden muß. Auch für diesen Fall läßt sich ohne Schwierigkeit
ein entsprechender Umschalter ausbilden, der beim Durchgang durch Null die Umkehrung
vornimmt. Auch bei der Zu- und Gegenschaltung läßt sich die kombinierte Regelung
der Ankerspannung und des Feldes am Motor vorteilhaft durchführen.
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Bei der bisher beschriebenen erfindungsgemäßen Lösungen für stufenlose
kombinierte Anker-Nebenschluß-Drehzahlregelung sind Schaltgeräte notwendig, um beide
in Frage kommendenFeldwicklungen wechselseitig mit der konstanten Spannung bzw.
mit der veränderlichen Spannung zu verbinden, wobei bei Verwendung zweier Gleichrichter
wechselstromseitig immer nur einer der beiden mit einer Wicklung verbunden war,
deren Indu.ktion durch Betätigung eines Regelorgans verändert werden konnte. Erfindungsgemäß
ist es jedoch auch möglich, ständig beide Gleichrichter wechselstromseitig an Wicklungen
anzuschließen. deren Induktion gleichzeitig verändert wird. Durch entsprechende
Maßnahmen gelingt es, den den Feldern bzw. Gleichrichtern zugeführten Spannungen
eine entsprechende Charakteristik zu verleihen. Fig.4 zeigt die grundsätzlich anzustrebende
Spannungscharakteristik. Die Kurve I entspricht der Spannung, an die das eine Feld
(Generatorfeld G) angeschlossen ist, die Kurve II der gleichartigen Spannung des
zweiten Feldes (Motorfeld 41). Solange die Spannung am Generatorfeld ansteigt, soll
die Spannung am Motorfeld konstant .bleiben. Nach Erreichung eines Maximalwertes
am Generatorfeld soll die Spannung .an diesem konstant .bleiben, während die Spannung
am Motorfeld abnehmen soll.
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Fig. 5 zeigt als Ausführungsbeispiel einen Drehtransformator mit zwei
um 12o° versetzten Wicklungen. Das Spannungsdiagramm dieser Anordnung, d. h. die
Abhängigkeit der beiden Sekundärspannungen des Drehtransformators von dessen Drehwinkel,
zeigt Fig. 6. Wie man sieht, steigt die Spannung am Generatorfeld von Null bis P
stark an, während welcher Zeit die Spannung am Motorfeld sich nach dem Kurvenstück
Q' P
verändert. Wenn dann .die Spannung am Motorfeld stark absinkt,
verändert sich die Spannung am Generatorfeld nach dem Kurvenstück P Q. Diese Regelkurve
stellt somit eine Annäherung zur Kurve nach Fig. 4 dar.
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Eine bessere Angleichung erhält man durch Verwendung einer erfindungsgemäßen
Schaltung nach Fig. 7. Bei dieser wird wiederum
ein Drehtransformator
i mit zwei um i20° versetzten Wicklungen verwendet, von denen die eine Wicklung,
falls die Nennspannungen am Generatorfeld und am Motorfeld einander gleich sein
sollen. die halbe Spannung der anderen ergibt. Die Wicklung mit der halben Spannung
wird mit der Sekundärwicklung eines Transformators 3 in Reihe geschaltet, in der
selbst eine konstante Spannung gleicher Größe induziert wird. Diese Summenspannung
liegt an den Wechselstromklemmen des Motorfeldes. Das Generatorfeld ist an der anderen
Wicklung des Drehtransformators angeschlossen. Die zugehörigen Regelkurven zeigt
Fig. B.
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Eine noch wesentlich bessere Annäherung an die Wunschkurve der Spannungen
erhält man durch eine erfindungsgemäße Anordnung nach Fig. g. Der Erfindungsgedanke
besteht bei dieser Anordnung darin, daß wiederum den zwei Wicklungen eines Drehtransformators
i, welche räumlich gegeneinander verschoben sind, die Spannungen zur Speisung der
beiden in Betracht kommenden Felder entnoirimen werden und daß aber den Spannungen
dieser Wicklungen .eine ebenfalls einem Drehtransformator 3, welcher mit dem vorerwähnten
Drehtrafo gekuppelt ist, entnommene Spannung mit höherer räumlicher Frequenz und
derartiger Größe hinzugefügt wird, daß .die Spannung am Dynamofeld zuerst bei Verstellung
des Drehreglers fast linear ansteigt und dann fast vollständig konstant bleibt,
die Spannung am l@Zotorfeld hingegen zuerst fast vollständig konstant bleibt und
dann linear abnimmt. Zur Erreichung dieser Charakteristiken muß der Winkel der räumlichen
Verschiebung zwischen den beiden Wicklungen, die räumliche Frequenz der Zusatzspannung
und die Größe der ;beiden Spannungen in bestimmtem Zusammenhang stehen. Unter räumlicher
Frequenz ist dabei die Zahl der Polwechsel bei einer räumlichen Drehung des Drehreglers
um 36o° zu verstehen. Bei der Anordnung nach Fig. g beträgt die räumliche Verschiebung
der Wicklung a und der Wicklung b 120' und die räumliche Frequez des Zusatzdrehtransformators
3 das Dreifache der räumlichen Frequenz des Drehtransformators i. Auf diese Weise
lassen sich die in Fig. io dargestellten Charakteristiken erzielen, deren Abschnitte
0'P bzw. PO annähernd geradlinig und horizontal in Höhe des Schnittpunktes
P verlaufen. _Die Höhe des Schnittpunktes P beträgt 1' 3/a bzw. 86,601, des
Maximalwertes der Sekundärspannungen des Transformators i. Der Maximalwert der Sekundärspannung
cles Transformators 3 wird daher vorzugsweise zu 13,4"/" des vorgenannten Maximalwertes
gewählt. Eine weitere günstige Lösung ergibt sich bei Verwendung eines Drehtransformators
mit zwei um go° versetzten Wicklungen und eines Zusatzdrehtransformators mit doppelter
räumlicher Frequenz, wenn zugleich den betreffenden Spannungssummen feste Spannungen
hinzugefügt werden, wobei sich also die Maximalwerte der erreichten geregelten Spannungen
als Summe der dem Drehtransformator entnommenen Spannung und einer festen Spannung
ergeben. Eine derartige Anordnung ist in Fig. i i dargestellt, in welcher wiederum
a. und b die um go° räumlich verschobenen Sekundärwicklungen des einen
Drehtransformators i bedeuten und c die Sekundärwicklung des Zusatzdrehtransformators
3 ist, dessen räumliche Frequenz das Doppelte der des Drehtransformators i beträgt.
4 stellt einen Transformator dar, durch welchen die festen Zusatzspannungen hergestellt
werden. Zweckmäßigerweise werden die beiden verwendeten festen Zusatzspannungen
nicht gleich groß gewählt, um die in Fig. 12 dargestellten Spannungscharakteristiken
zu erreichen. Von diesen stellt die mit I ,bezeichnete Charakteristik die Generatorfeldspannung
G .dar, und zwar ist die zugehörige Grundlinie die Gerade hl, wobei der Abstand
zwischen den Geraden hl und 1a der festen Zusatzspannung entspricht. Die Charakteristik
II, die die Motorfeldspannung 111 darstellt, ist dagegen auf die Gerade
lag als Grundlinie zu beziehen. Der Abstand zwischen la und h.., entspricht
wiederum der zugehörigen festen Zusatzspannung. Da die Höhe des Schnittpunktes zweier
um go° in der Phase gegeneinander verschobener Sinuslinien 2/a bzw. rund 7o11/0
des Maximalwertes beträgt, wurde .der Maximalwert der Spannung der doppelten räumlichen
Frequenz zu 300o des Maximalwertes der Sekundärspannungen des Transformators i gewählt,
wodurch sich bei jeder Charakteristik ein in einer Höhe von rund 7001, dieses
Maximalwertes liegender, nahezu horizontal verlaufender Abschnitt ergibt. Wie ersichtlich,
kommt als maximales Generator- bzw. Motorfeld fast die ganze Summe aus fester Spannung
und mittels des Drehtransformators i geregelter Spannung zur Wirkung. Demgemäß ergibt
sich die Tvpenleistung der Drehtransformatoren verhältnismäßig klein. Die dem Abstand
zwischen den Geraden h und 1a. entsprechende feste Zusatzspannung für das Motorfeld
wurde zu 13001o des Maximalwertes der Sekundärspannungen des Transformators i gewählt,
wodurch sich, wie aus dem Diagramm leicht ersehen werden kann. eine Schwächung des
Motorfeldstromes auf rund 3011i0 seines Maximalwertes am Ende des Regelbereiches-
ergibt. Die dem Abstand
zwischen. den Geraden hl und h entsprechende
feste Zusatzspannung für das Generatorfeld wurde zu 92 °1o des Maximalwertes der
Sekundärspannungen des Transformators i gewählt. Die Forderung, daß die Spannung
des Motorfeldes bei der Anfangsstellung, bei welcher die Spannung des Generatorfeldes
Null ist (Schnittpunkt der Charakteristik I mit ihrer Grundlinie h1), auf dem Höchstwert
sein soll, würde allerdings statt des Wertes von 920/, den Wert von rund 70°/a (entsprechend
dem unteren Schnittpunkt der beiden Charakteristiken) ergeben. Der tatsächlich verwendete
Wert von 92 %, welcher die Verwendung einer kleinen Typengröße der Drehtransformatoren
ermöglicht, ist jedoch so ausgewählt, daß der Anfangswert der Spannung des Motorfeldes
bei den gewählten übrigen Größenverhältnissen immerhin 980o des Höchstwertes beträgt.
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Gegebenenfalls läßt sich eine. wesentliche Vereinfachung einer Anordnung
der beschriebenen Art dadurch erzielen, daß ein Drehregler verwendet wird, der derart
ausgelegt ist, daß seine beiden Wicklungen unmittelbar je eine Spannung ergeben,
deren Verlauf .bereits die gewünschte, der Summe aus einer Hauptspannung und einer
Spannung doppelter räumlicher Frequenz entsprechende Form aufweist.
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Selbstverständlich sind die beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnungen,
bei welchen keinerlei Umsohaltung erforderlich ist, besonders für Betätigung durch
einen selbsttätigen Regler, etwa einen Oldruckregler, dessen Spannungsspule von
einer Tachometerdynamo gespeist wird, geeignet, da auch bei dem ununterbrochenen
Spiel eines solchen selbsttätigen Reglers keinerlei Abnutzung von Schaltorganen
usw. eintreten kann. Bei Verwendung von selbsttätigen Reglern ist es nun erwünscht,
in einfacher Weisse vom Selbstregelbetrieb auf Handregelbetrieb übergehen zu können;
insbesondere ist dies bei dem Anlassen des geregelten Motors erforderlich. Gemäß
einem weiteren Erfindungsgedanken kann nun der Spannungsspule des selbsttätigen
Reglers über Gleichrichter eine Wechselspannung (Hilfsspannung) zugeführt werden,
welche abhängig ist von der Stellung des durch den selbsttätigen Regler betätigten
Drehreglers, und zwar in solcher Weise, daß bei Zunahme der Generator-Feld-Spannung.
bzw. Abnahme der Motorfeldspannung eine Zunahme dieser Hilfsspannung eintritt. Besonders
bei Verwendung von zwei .Spannungen, welche räumlich. gegeneinander verschobenen
Wicklungen eines Drehreglers entnommen. werdern, kann durch Summierungmittels Zwischentransformatoren
eine geeignete Spannung, welche im ganzen oder fast im ganzen Regelbereich die gewünschte
Zunahme aufweist, gewonnen werden. Eine derartige Schaltung ist in Fig. i i dargestellt,
in welcher ioi die Spannungsspule des selbsttätigen Reglers, io2 .die Tachometerdynamo,
io3 den zur Festlegung der selbsttätig sich einstellenden Drehzahl dienenden Widerstand
darstellt. 'Der Spannungsspule ioi kann nun auch auf einem parallelen Stromwege
die Hilfsspannung zugeführt werden, welche mittels der Transformatoren 10q. und
ios gewonnen wird. Die Zuführung erfolgt über den Gleichrichter io6 und den Regelwiderstand
107. Bei Kurzschluß des letzteren wird bereits bei dem Anfangswert der Hilfsspannung
E" der Spannungsspule ioi ein derartiger Strom zugeführt, daß ein vollständiges
Schließen des Reglers (kleinster Generatorfeldspannungswert) eintritt. Erfolgt nun
eine Einschaltung des Widerstandes 107, @so tritt eine Verminderung des Stromes
in der Spule ioi ein und damit ein Aufregeln des selbsttätigen Reglers, so lange,
bis durch das Anwachsen der Hilfsspannung jener Strom in der Spannungsspule ioi
erreicht wird, bei welchem Stillstand des Reglers eintritt. Durch Vergrößerung des
Widerstandes 107 kann also in willkürlicher Weise ein Aufwärtsregeln vorgenommen
werden, und zwar so lange, .bis jene Drehzahl überschritten wird, welche der Stellung
des Widerstandes 103 entspricht. Bei dieser Drehzahl nämlich erfolgt die
Stromlieferung an die Spannungsspule ioi .durch die Tachometerdyn.amo io2 in jenem
Maß, welches für das Verbleiben des Reglers in seiner augenblicklichen Stellung
genügt. Durch den Trockengleichrichter 108 wird bewirkt, daß in dem vorangehenden
Zustand, in welchem die Spannung der Tachometerdynamo io2 geringer ist als die vom
Gleichrichter io6 abgegebene Spannung, durch die Tachometerdynamo kein Strom fließt
und somit keine Abhängigkeit des Stromes in :der Spule ioi von der Drehzahl der
Tachometerdynam.o gegeben ist.