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Magnetischer Verstärker für Regelzwecke 1)ie Erfindung bezieht sich
auf magnetische Verst@irl:er, die aus einem magnetischen Kern mit mehreren Schenkeln
und zwei je auf einem Schenkel angeordneten Belastungswicklungen sowie einer auf
einem weiteren Schenkel angeordneten Steuerwicklung bestehen.
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Die Erfindung bezweckt, eine magnetische Verstärkerschaltung zu schaffen,
die in einem Regelsystem benutzt werden kann und eine empfindlich ansprechende und
genaue Regelung bewirkt.
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Die magnetische Verstärkerschaltung soll vorzugsweise in einem System
zur Spannungsregelung, beispielsweise in einem System zur Regelung der Generatorspannung,
benutzt werden, um die Frequenzänderungen der zu regelnden Energiequelle bzw. die
Verzerrung der Spannungswelle des Generators auszugleichen. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein magnetischer Verstärker vorgesehen, der einen dreischenkeligen
sättigungsfähigen Magnetkern mit zwei Belastungswicklungen und zwei Steuerwicklungen
besitzt. Die beiden Steuerwicklungen sind auf dem Mittelschenkel in der Weise angeordnet,
daß die Magnetflüsse der beiden Wicklungen entgegengesetzt zueinander wirken. Die
beiden Belastungswicklungen sind je auf einem Außenschenkel des Kerns angeordnet
und je in einen Zweig einer Doppelweggleichrichterbrücke geschaltet, die von einer
geeigneten Wechselstromquelle gespeist wird. Der in einer Richtung fließende Ausgangsstrom
des Gleichrichters entspricht in der Größe der Differenz der Magnetflüsse den beiden
Steuerwicklungen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung
ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung an l-Iand der Zeichnung.
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Fig. i zeigt das Schaltbild eines Systems zur Spannungsregelung eines
Wechselstromgenerators unter Verwendung des magnetischen Verstärkerkreises gemäß
der Erfindung; Fig.2 veranschaulicht durch Kurven, wie der magnetische Verstärker
in Verbindung mit Einrichtungen zur Phasenverschiebung in dem Spannungsregelsystem
die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Regelung verbessert.
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In Fig. i ist ein magnetischer Verstärker i der Bauart mit Selbstsättigung
gezeigt, der einen geschlossenen dreischenkeligen Magnetkern 2, vorzugsweise aus
einem Material mit verhältnismäßig hoher Permeabilität, besitzt. Auf den Außenschenkeln
des Kerns 2 sind die Belastungswicklungen 3 hzw. .4 angeordnet, während der Mittelschenkel
mit zwei Steuerwicklungen 5 und 6 ausgerüstet ist, die Gleichstrom führen. Die Belastungswicklungen
3 und .t sind in einem Stromkreis mit einer Doppelweggleiclirichterbrücke an eine
Wechselstromquelle angeschlossen, welche Strom über die Leiter 9 und io zuführt.
Die Arbeitsweise des Doppelweggleichrichters ;, der aus vier Gleichrichterelementen
i i bis 14 zusammengesetzt ist, wird unten im einzelnen beschrieben. Die Steuerwicklungen
5 und 6 auf dem Mittelschenkel des magnetischen Ke'Yns 2 sind so verbunden, daß
die von diesen beiden Wicklungen erzeugten Magnetflüsse einander entgegenwirken.
Die Wirkungsweise dieser Wicklungen wird ebenfalls unten im einzelnen erläutert.
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Es sei angenommen, daß die Belastungswicklungen 3 und 4 des magnetischen
Verstärkers in den Kreis mit dem Gleichrichter 7 an die Wechselstromquelle, wie
in Fig. i gezeigt, angeschlossen sind und daß die Steuer@v icklungen 5 und 6 nicht
gespeist werden. Unter diesen Umständen tritt keine Sättigung des magnetischen Kerps
2 ein, und es wird daher in dem Kern kein Fluß in dem Augenblick fließen, wo die
Spannungswelle der Wechselstromquelle von dem negativen Teil einer Welle auf Null
ansteigt. Wenn die Spannung zunimmt und eine positive Halbwelle beginnt, wird der
Strom in einer Belastungswicklung, z. B. in der Wicklung 3, einen Fluß in dem magnetischen
Kern 2 erzeugen. Dieser Fluß nimmt zu, wenn die Spannung während der .positiven
Halbwelle zunimmt, in ähnlicher Weise wie bei einem Transformator, einer Drosselspule
oder einer derartigen Einrichtung. Während des Ansteigens des Flusses liegt, bevor
der Sättigungspunkt des Kerns erreicht ist, im wesentlichen der ganze Spannungsunterschied
zwischen den Leitern 9 und io an der Belastungswicklung 3. Sobald aller der Sättigungspunkt
erreicht ist, wird der in den Belastungskreis gelieferte Strom nur von der Inciuktivität
der Belastungswicklung 3 und der Impedanz des Verbrauchers selbst begrenzt. Wenn
dann der Kern gesättigt ist, findet keine Änderung in den Flußverkettungen mehr
statt, die den Stromfluß durch die Verbraucherwicklung behindern. Die Anwesenheit
des Keins beeinflußt deshalb nicht mehr die Reaktanz der Belastungswicklung. Der
Strom in der Belastungswicklung eilt etwas der Phase des Wechselpotentials nach,
bis dieses Potential am Ende der positiven Halbwelle der Periode auf -Null zurückkehrt.
Wenn die Spannung auf -Null zurückkehrt, unterbricht der Gleichrichter den Stromfloß,
und während der nächsten Halbwelle der Spannung kehrt der Fluß auf Null zurück.
Während dieser wiederholt sich in der Belastungswicklung 1 auf dem anderen Atißensclicnl;el.
des N-ertiirkerkerns die eben beschriebene Arbeitsweise, so daß in der einen oder
anderen Belastungswicklung während eines Teiles jeder Halbwelle Strom fließt.
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Für den Kern 2 wird ein magnetischer Werkstoff finit einer Magnetisierungsktii-ve
benutzt. die ein sehr scharfes Knie aufweist. Dadurch steigt der Verbraucherstrcnn
von einem vernachlässigbaren Wert auf ein Maximum i» @niiiüliern(l fiinf elektrischen
Graden der Wechselspannungsperiode, wenn der Sättigungspunkt des Kerns erreicht
ist. Fiir den Rest jeder Halbwelle folgt imc h Sättigung der V erbraucherstroln
annähernd einer `intiswelle. `o erhält der magnetische Verst:irker eine Stromcharakteristik,
die derjenigen einer l#:lel<trrnietielitladungseinrichtung der Tli@°ratri)iiliatiai-t
sehr ähnlich ist.
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Wie leicht ersichtlich, wird, wenn die Steuerwicklungen 5 und 6 mit
Gleichstrom gespeist «-erden, der Punkt während einer Spannungshalbwelle, bei welchem
der magnetische Kern 2 sich sättigt, geändert. Wenn der von der Steuerwicklung erzeugte
Fluß so ist, daß er dein von der Belastungswicklung erzeugten Fluß entgegenwirkt.
sättigt sich der Kern an einem späteren Punkt währe@id der Halbwelle, wodurch das
Intervall, während <lein die Belastungswicklung Strom führt, nn(l im l@rgclmis
der durchschnittliche Verbraucherstrom vermindert wird. Umgekehrt, wenn der Steuerfluß
:ich zu dem von der Belastungswicklung erzeugten Fluß addiert, sättigt sich der
Kern in Gier Periode früher, und der Verbraucherstrom wird erhi>lit. Bei der typischen
Anwendung der beschriebenen magnetischen Verstärkerschaltung ist e: erforderlich.
daß der Verbraucherstrom zunimmt. wenn ein Steuerstrom abnimmt. Ins «-erden daher
zwei differential geschaltete Steuerwicklungen vui-\vendet. Die Wicklung 5, die
als Sättigungswicklung bezeichnet werden kann, wird mit einem Vergleichsliotelitial
verliunden, und die Polarität der Wicklung ; ist so gewählt, daß der von ihr hervorgebrachte
1#1u1.) sich zu dein von den Belastungswicklungen 3 tilld 4 erzeugten Fluß addiert.
Die Steuerwicklulig <,, die von dem Steuerstrom gespeist wird, hat die entgegengesetzte
Polarität, so daß der von dieser Wicklung erzeugte Fluß denn von der @@'icklung
; erzeugten Fluß entgegenwirkt.
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Bei der vorstehenden l,'rlätlteruiig wurde die Hysteresis des magnetischen
lteriis 2 nicht erörtert. Selbstverständlich ist magnetische Hysteresis vorhanden,
aber sie ver:indert nicht die Arbeitsweise des magnetischen Verstärkers ge-renüber
der beschriebenen. Der Verstärker wird so bemessen, daß ein ausreichender Stroh
von einem Außenschenkel des Kerns geliefert wird, wenn die Belastungswicklung auf
diesem Schenkel zii dein anderen Außen-
Schenkel stromführend ist,
um die Flußdichte in dem letzteren Schenkel bis unterhalb des negativen Knies der
i\Iagnetisierungskurve zu vermindern. Es wird daher der ganze Kern die äußere Hysteresisschleife
beschreiben, d. h. daß die Wirkungen der verschiedenen Belastungs- und Steuerwicklungen
auf den Fluß in dem Kern immer gleichförmig sind. Wie leicht ersichtlich, können
andere Kernformen, beispielsweise ein Torroid, an Stelle des in Fig. i gezeigten
dreischenkeligen Kerns verwendet werden, sofern die magnetische Wechselwirkung der
Belastungs- und Steuerwicklungen im wesentlichen dieselbe bleibt.
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Der magnetische Verstärker i ist in Fig. i als ein Regelglied in einem
System zur Spannungsregelung eines Wechselstromgenerators 15 dargestellt. Der (ieiierator
1,5 ist als Einphasenmaschine mit zwei Ausgangsklemmen veranschaulicht, mit welchen
die Leiter 9 und io verbunden sind. Die Erregung des Generators wird durch eine
Erregerspule 16 geliefert. In dem Sl)atinutigsregelungssystem sind ein Widerstand
17 und ein Kondensator 18 in Reihe zwischen die Leiter 9 und io geschaltet. Im Nebenschluß
zti (lern Kondensator 18 liegt eine übliche I)oppelweggleichrichterbrücke i9, die
aus Gleichrichterelementen 20 bis 23 zusammengesetzt ist. Der pulsierende, in einer
Richtung fließende Ausgangsstroin des Gleichrichters i9 hat die in Fig. i gezeigte
Polarität. Da der Gleichrichter i9 im Nebenschluß zu dem Kondensator 18 liegt, wird
der pulsierende Strom in Bezug auf die Klemmenspannung des Generators 15 in der
Phase gegenüber der Zeitlage verschoben, die er einnehmen würde, wenn der Gleichrichter
i9 unmittelbar zwischen die Leiter 9 und io eingeschaltet wäre. Der Gleichrichterausgangsstrom
eilt dieser Spannung nach, wobei der Betrag der Nacheilung von den relativen Impedanzen
des Widerstands 17 111t(1 Kondensators 18 bestimmt wird. Der in einer Richtung fließende
Ausgangsstrom des Gleichrichters i9 wird durch ein Filter gesiebt, welches aus dem
Widerstand 24 und dem Kondensator 25 besteht. Der gefilterte, in einer Richtung
fließende @troin geht dann durch einen veränderlichen Widerstand 26 und einen spannungsvermindernden
Reihenwiderstand 27 und erregt die Steuerwicklung 6 auf dem magnetischen Verstärker.
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lin Betrieb des Spannungsregelungssystems wird, wenn in der Klemmenspannung
des Generators 15 eine Absenkung auftritt, das Potential zwischen den Leitern 9
und io vermindert. Dadurch wird der Potentialabfall am Widerstand 17 und Kondensator
1 8 lierahgesetzt, Lind der Potentialabfall an dem letzteren vermindert den in einer
Richtung fließenden Ausgangsstrom des Gleichrichters i9. Dadurch wird der in der
Steuerwicklung 6 des magnetischen Verstärkers fließende Strom vermindert, wodurch
der Steuerfloß in dem Kern 2 insoweit erhöht wird, als die Steuerwicklung 6 der
Sättigungswicklung 5 entgegenwirkt. Die magnetomotorische Kraft der Wicklung 5 ist
immer größer als die Differenz der magnetomotorischen Kräfte der Wicklungen 5 und
6, da eine Änderung des Stromes in der Wicklung 6 die tongekehrte Änderung des von
der Wicklung 5 erzeugten reinen .Steuerflusseg bewirkt. Die Zunahme des Steuerflusses
in dem Kern 2 bringt den Kern bei jeder Spannungshalbwelle früher zur Sättigung,
wodurch der durchschnittliche Ausgangsstrom der Belastungswicklungen 3 und 4 erhöht
wird. Dadurch wird der Verbraucherstrom in dem Gleichrichter 7 erhöht, zwischen
dessen Ausgangsklemmen der Erregerkreis 16 geschaltet ist. Die Stromzunahme in dem
Erregerkreis 16 erhöht die Klemmenspannung des Generators 15, und diese steigernde
Wirkung wird von dem Regelsystem fortgesetzt, bis die Generatorspannung auf den
gewünschten Wert zurückgeführt ist. Die Generatorspannung, welche das Regelsystem
aufrechterhält, ist durch Veränderung des Widerstandes 26 einstellbar, wodurch der
relative Wert des durch die Steuerwicklung 6 fließenden Steuerstromes eingestellt
wird.
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Wie leicht ersichtlich, ist der Ausgangsstrom des Gleichrichters i9
pulsierend, wenn er auch in einer Richtung fließt. Der Ausgangsstrom enthält eine
Welligkeit, deren Größe durch die relativen Werte der in dem Filter benutzten Elemente,
nämlich des Widerstandes 24 und des Kondensators 25, bestimmt wird. In den meisten
Fällen ist eine solche Welligkeit unerwünscht, in diesem Falle wird sie jedoch ausgenutzt,
um die Empfindlichkeit des Spannungsregelungssystems zu erhöhen. Die Art, in der
dies erreicht wird, ist in Fig. 2 veranschaulicht.
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Die Fig. 2 zeigt in dem Teil A eine Kurve 28, welche die positive
Hälfte einer Spannungswelle der Klemmenspannung des Generators darstellt. Die Kurven
29 bzw. 30 stellen die größten bzw. die kleinsten Spannungen an der Erregerspule
16 dar, die erforderlich sind, um einen ausreichenden Erregerfluß zur Regelung der
Generatorspannung zwischen der größten Generatorbelastung und Belastung Null zu
regeln. Die Sättigungskurve des magnetischen Verstärkers i wird durch die Kurve
31 in den Teilen B und C der Fig. 2 dargestellt. Der Steuerfluß in dem Kern des
magnetischen Verstärkers, welcher aus der Differenz der Magnetflüsse der Steuerwicklungen
5 und 6 resultiert, ist durch die Kurven 32 und 33 in den Teilen B und C dargestellt.
Die Kurve 32 stellt den Steuerfluß bei voller Belastung des Generators dar, während
die Kurve 33 den Steuerfluß bei der Belastung Null des Generators wiedergibt. Diese
Kurven entsprechen den Kurven der Erregerspannung 29 bzw. 30. Wie ersichtlich, ist
der Steuerfluß pulsierend, weil der Strom in der Steuerwicklung6, welcher zu dem
reinen Steuerfluß beiträgt, pulsierend ist. Die von den Belastungswicklungen erzeugte
Flußkomponente wird mit dem von den Steuerwicklungen erzeugten Fluß kombiniert,
um den Gesamtfluß in dem Kern des Verstärkers zu erhalten. Dieser Gesamtfluß ist
durch Kurven 35 bzw. 36 für volle Belastung des Generators und Belastung Null wiedergegeben.
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Aus dem Teil B der Fig. 2 ist zu ersehen, daß in der Größe zwischen
den Kurven 32 und 33 eine verhältnismäßig große Differenz besteht. Diese Differenz
in der Größe stellt die Änderung dar, welche
der Steuerstrom in
der Steuerwicklung 6 erfahren muß, um die Generatorspannung auf einem gewählten
Wert zu halten, wenn die Generatorbelastung von Vollast auf Leerlauf geändert wird.
Dies ist so, weil der Steuerfluß in dem Kern des Verstärkers umgekehrt proportional
zu dem Strom in der Steuerwicklung 6 ist, solange wie der Kern nicht gesättigt ist.
Die Kurven des Teiles B würden zutreffen, wenn der aus dem Widerstand 17 und Kondensator
18 bestehende Phasenschieberkreis aus dem Regelsystem beseitigt und der Gleichrichter
ig unmittelbar an die Anschlußleitungen des Generators geschaltet würde. Durch Einschaltung
des Phasenschieberkreises wird jedoch die Phase des von dem Gleichrichter ig erzeugten
pulsierenden Steuerstromes, wie im Teil C dargestellt, in bezug auf die Spannungswelle
28 verschoben. Wegen dieser Phasenverschiebung ist der Größenunterschied zwischen
den Kurven 32 und 33 verhältnismäßig gering, d. :h. daß eine entsprechend geringe
Änderung des Steuerstromes in der Steuerwicklung 6 erforderlich ist, um die Regelung
der Generatorspannung von Vollast auf Leerlauf zu bewirken. Bei einer Ausführungsform
eines Spannungsregelungssystems gemäß der Erfindung wurde festgestellt, daß es wegen
dieses Merkmals möglich ist, die Spannungsregelung auf weniger als i % zu vermindern,
wobei der Prozentsatz der Spannungsregelung definiert ist als
Ein weiteres Merkmal der Erfindung bei Anwendung in einem System zur Regelung der
Generatorspannung gemäß Fig. i ist seine Eigenschaft der Frequenzkompensierung.
Wenn die Frequenz des Generators 15 z. B. zunimmt, entweder gemeinsam mit der Klemmspannung
oder getrennt, wird die kapazitive Reaktanz vermindert, was den Betrag der dem Signalstrom
erteilten Phasenverschiebung herabsetzt und dadurch die Zeitlage der Flußkomponente
in dem magnetischen Verstärker, die von den Steuerwicklungen herrührt, voreilen
läßt. Außerdem setzt die Verminderung der Reaktanz des Kondensators 18 den Betrag
des Steuerstromes herab, wodurch der von den Steuerwicklungen erzeugte reine Sättigungsfluß
erhöht wird. Die Zunahme der Generatorfrequenz erhöht jedoch gleichzeitig die induktive
Reaktanz der Belastungswicklungen 3 und 4 des magnetischen Verstärkers, wodurch
die Zeitlage der in dem magnetischen Verstärker von diesen Wicklungen erzeugten
Flußkomponente verzögert und der Strom in diesen Wicklungen herabgesetzt wird. Die
Zunahme des Flusses und seine Phasenverschiebung, die von der Änderung des Steuerstromes
herrühren, suchen die Abnahmedes Flusses und seine Phasenverschiebung, die von der
Änderung des Verbraucherstromes herrühren, zu kompensieren. Durch geeignete Bemessung
Zier Reaktanzen des Kondensators 18 und der Belastungswicklungen 3 und 4 kann das
Spannungsregelungssystein so ausgebildet werden, daß es kleine Frequenzschwankungen
des Generators 15 vollständig kompensiert. In der Tat kann das Regelsystem so ausgeführt
"werden, daß es, -,nenn dies gewünscht wird, für Frequenzändertingen eine negative
Spannungsregelung besitzt. Eine solche Überregelung ist häufig erwünscht bei einem
Generatorspannungsregler zur Kompensierung von Belastungsänderungen, die sich aus
Frequenzänderungen ergeben. Bei einem gemäß der Erfindung ausgeführten System zur
Regelung der Generatorspannung, welches zur Durchführung einer genauen Frequenzkompensation
ausgebildet war, ist die von diesem System bewirkte Spannungsregelung von der Frequenz
in einem Bereich von 15% über bis 15% unter der normalen Frequenz im wesentlichen
unabhängig.
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Eiii weiteres 1\lerkinal der Erfindung bei Anwendung in einem System
zur Regelung der Generätorspannung liegt darin, daß es die Spannungsverzerrung des
Generators kompensiert. Bekanntlich kann, wenn ein Generator einen induktiven Verbraucher
speist, der vorauseilende Rand der Spannungskurve verzerrt werden, wie dies durch
die gestrichelte Linie 28a in Fig.2 dargestellt ist. Auch in dem weniger häufigen
Fall, daß der Generator einen kapazitiven Verbraucher speist, kann der vorauseilende
Rand der Spannungswelle in der anderen Richtung verzerrt werden, wie durch die gestrichelte
Kurve 28b gezeigt. Das in Fig. i dargestellte System zur Spannungsregelung kompensiert
beide Arten der Verzerrung, weil die Reaktanzen des Kondensators 18 und der Belastungswicklungen
3 und 4 jede durch eine solche Verzerrung geändert werden und diese Änderungen sich
gegenseitig kompensieren, ähnlich wie dies oben bei der Frequenzänderung beschrieben
wurde. Wenn die Spannungswelle, wie durch Kurve 28a dargestellt. durch eine Induktanz
verzerrt wird, wird die Reaktanz des Kondensators 18 vermindert und die Reaktanz
der Belastungswicklungen 3 und 4 erhöht. Die Änderungen suchen sich so gegenseitig
zu kompensieren, und wenn die Elemente des Systems passend bemessen sind, kompensieren
sie sich vollständig. Wenn eine Verzerrung, wie sie durch die Kurve 28b dargestellt
ist, auftritt, wird die Reaktanz des Kondensators 18 erhöht und diejenige der Belastungswicklungen
3 und 4 vermindert, so daß sie sich gegenseitig immer kompensieren.
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JLTm einen magnetischen Verstärker mit Selbstsättigung erfolgreich
zu betreiben. muß der Strom in den Belastungswicklungen -während jeder Periode aufhören.
Dies gibt diesem magnetischen Verstärker einen Vorteil vor einem gewöhnlichen zweiphasigen
magnetischen Verstärker bei Anwendung in einem Spannungsregelsystem, wie es hier
beschrieben wurde. Wenn der magnetische Verstärker einen hoch induktiven Verbraucher,
wie eine Erregerspule 16, speist, kann die Unterbrechung des Stromes in den Belastungswicklungen
des Verstärkers durch die negative Spannung verhindert werden, welche von dem induktiven
Verbraucher während des stromfreien Teils der Gleichrichterperiode erzeugt wird.
Dies würde sich im Sinne der Aufrechterhaltung des Stromes in den Belastungswicklungen
während dieses Teils der Periode auswirken. Die Anordnung eines Brückenkreises,
wie er durch den Gleichrichter
7 dargestellt ist, schafft einen
Nebenweg für den induktiven Strom über die Gleichrichter 13 und 14. Dadurch wird
der induktive Strom daran gehindert, durch die Belastungswicklungen 3 und 4 des
magnetischen Verstärkers zu flicl.leii. und der Strom kann in diesen Wicklungen
während jeder Periode auf Null absinken.
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Obwohl hier ein magnetischer Verstärker mit zwei finit entgegengesetzter
Polarität geschalteten Steuerwicklungen beschrieben wurde, ist leicht ersichtlich,
daß, ohne die Arbeitsweise grundsätzlich zu 'indem, eine einzige Steuerwicklung
verwendet werden kann. Bei dem beschriebenen System war es erwünscht, einen Belastungsstrom
zu haben, der bei abnehmendem Steuerstrom erhöht wird. Dadurch wurde die Anwendung
der dargestellten Differentialanordnung erforderlich. Wenn es jedoch erwünscht ist,
daß der Belastungsstrom bei zunehmendem Steuerstrom ansteigt, dann kann die Steuerwicklung
5 weggelassen und die Steuerwicklung 6 direkt zur Betätigung des magnetischen Verstärkers
ver,#vendet werden.