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Gleichstromhochspannungskraftübertragungsanlage Die Erfindung betrifft
eine Kraftübertragungsanlage mit hochgespanntem Gleichstrom, bei welcher zur Umformung
des übertragenen Gleichstroms Wechselrichter benutzt werden. Es ist bereits vorgeschlagen
worden, den Wechselrichter einer solchen Anlage mit einer Kompoundierung auszurüsten,
die. den Kosinus des Steuerwinkels bei ansteigendem Gleichstrom herabsetzt. Dadurch
wird erreicht, daß der Wechselrichter auch bei plötzlichen Spannungsabsenkungen
in dem gespeisten Drehstromnetz, mit denen ja immer gerechnet werden muß, stabil
arbeitet, ohne daß im ungestörten Betrieb mit einem zu niedrigen Aussteuerungsgrad
gearbeitet werden muß. Für den Zusammenhang zwischen dem Steuerwinkel und dem Wert
des Gleichstroms ist dabei die Tatsache ausschlaggebend, daß erstens der Regler
mit einer gewissen Trägheit behaftet ist und zweitens der Regeleinfluß sich immer
erst bei Beginn des dem Ablauf der Eigenzeit des Reglers nächstfolgenden Kommutierungsvorgang
bemerkbar machen kann. Man muß deshalb, wenn mit einer bestimmten Spannungsabsenkung
gerechnet werden muß, den Steuerwinkel so wählen, daß der Wechselrichter bis zum
Wirksamwerden des Regeleinflusses trotz des inzwischen ansteigenden Gleichstroms
noch stabil, d. h. mit einer Überlastbarkeit arbeitet, wenn die Wechselspannung
plötzlich um das zulässige Höchstmaß abgesenkt wird. Der sich hieraus ergebende
Kompoundierungsgrad soll im folgenden Mindestkompoundierung genannt werden.
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Die Erfindung bezieht sich nun auf den besonderen Fall, daß am Ende
der Übertragungsleitung mehrere gleichstromseitig parallel geschaltete
Wechselrichter
vorhanden sind, welche jedoch auf verschiedene Wechselstromnetze arbeiten bzw. an
soweit voneinander entfernt liegende Punkte eines gemeinsamen Wechselstromnetzes
angeschlossen werden, daß bei Störungen die Wechselspannung an den einzelnen Wechselrichtern
in wesentlich verschiedenem Maße absinken kann. Ein einfacher Fäll einer derartigen
Anlage ist in Fig. i schematisch dargestellt. Hier speist der Gleichrichter i über
die beiden Übertragungskabel 3 die Wechselrichter I und II, die ihrerseits j e ein
besonderes Drehstromnetz 7 bzw. 7' speisen, gleichstromseitig aber an der gemeinsamen
Sammelschiene 4 liegen. Hierbei kann es nun vorkommen, daß die Wechselspannung an
dem Wechselrichter II infolge einer Störung im Netz 7' stark absinkt, während sie
an dem Wechselrichter I praktisch unverändert bleibt. In diesem Fall würde eine
Kompoundierung, die mit Rücksicht auf die Stabilität den Kosinus des Steuerwinkels
mit steigendem Strom stets verkleinert, zu schweren Störungen führen. Wenn nämlich
an dem Wechselrichter II die Wechselspannung absinkt, so erhöht dieser Wechselrichter,
schon bevor ein Eingriff in seine Steuerung erfolgt ist, seine Stromaufnahme. Seine
Kompoundierung würde daraufhin den Kosinus seines Steuerwinkels herabsetzen, was
aber ein weiteres Absinken der von diesem Wechselrichter gleichstromseitig erzeugten
Gegenspannung zur Folge hätte und damit zur weiteren Erhöhung der Stromaufnahme
führen würde. Würde dieser Wechselrichter als einziger mit dem Gleichrichter zusammenarbeiten,
so würde der erwähnte Stromanstieg durch das Einsetzen der Regelung am Gleichrichter
wieder rückgängig gemacht werden. Dies ist jedoch nicht möglich, wenn noch ein weiterer
Wechselrichter, im vorliegenden Fall also der Wechselrichter I, vorhanden ist, der
nicht von einer Spannungsabsenkung betroffen ist. In diesem Fall würde der Regler
des Gleichrichters zwar den Summenstrom beider Wechselrichter konstant halten, aber
dieser Summenstrom würde sich nunmehr anders als vorher auf die beiden Wechselrichter
I und II verteilen. Infolge der Kompoundierung des Wechselrichters II, an welchem
ohnehin die Spannung abgesunken ist, würde der überwiegende Teil des Gleichstroms
diesem Wechselrichter II zufließen, während der andere Wechselrichter I weitgehend
oder sogar vollkommen entlastet werden würde. Man sieht also, daß die Kompoundierung
hier den störenden Einfluß, den die Spannungsabsenkung an einem .der Wechselrichter
auf die Stromaufteilung ausübt, noch erheblich verstärkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu
schaffen, welche die geschilderten Nachteile vermeidet. Gemäß der Erfindung werden
die Regeleinrichtungen der gleichstromseitig parallel arbeitenden Wechselrichter
so ausgestaltet, daß die Kennlinie, nach der sich der Kosinus des Steuerwinkels
jedes Wechselrichters in Abhängigkeit von dessen Gleichstrom oder einer anderen
Betriebsgröße ändert, in der Nähe des für den betreffenden Wechselrichter eingestellten
Nennwertes des Gleichstroms einen Höchstwert bzw. Knickpunkt besitzt, von dem aus
die Kennlinie sowohl nach kleineren als auch nach größeren Werten des Gleichstroms
oder der für die Regelung maßgebenden Betriebsgröße hin abfällt.
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In Fig. 2 sind drei solcher Kennlinien b, c und d
dargestellt,
welche für verschiedene Nennstromeinstellungen, und zwar für 5o, roo und 150°/o
des Gleichstroms Ig gelten. Als Ordinaten sind die Kos.inuswerte des Steuerwinkels
ß aufgetragen. Die gestrichelte Kurve a stellt die Kennlinie der obenerwähnten Mindestkompoundierung
dar. Um überall stabilen Betrieb auch bei plötzlich auftretenden Spannungsabsenkungen
zu erhalten, dürfen die Knickpunkte A, B und C höchstens auf der Kurve a
liegen. Zweckmäßig werden die Reglerkonstanten so bemessen, daß die erwähnten Knickpunkte
etwas unter der Kurve a liegen. Der rechts des Knickpunktes liegende Ast der Reglerkennlinie
wird zweckmäßig so gelegt, daß er ungefähr die gleiche Neigung besitzt wie die Kurve
a der Mindestkompoundierung. Um auch bei wesentlichen Störungen in den gespeisten
Drehstromnetzen zu erreichen, daß der Unterschied in der Stromaufnahme der einzelnen
parallel arbeitenden Wechselrichter nur klein bleibt, ist es vorteilhaft, den linken
Teil der Kennlinien b, c und d erheblich steiler zu wählen als den rechten Teil.
Die Änderung des Wertes von cos ß bleibt unabhängig von der Steilheit der linken
Kennlinienseite praktisch konstant. Es wird also, wenn die Kennlinie steiler ist,
nicht nur die Änderung des Gleichstroms in dem auf das ungestörte Netz arbeitenden
Wechselrichter kleiner, sondern es tritt auch eine geringere Wirkstromänderung dabei
auf. Eine gewisse Verkleinerung des Wirkstroms an dem nicht von der Störung betroffenen
Wechselrichter I wird allerdings immer vorhanden sein, da bei ihm der cos ß herabgesetzt
worden ist, um gegenüber dem Wechselrichter II, an dem die Wechselspannung abgesunken
ist, das Stromgleichgewicht aufrechtzuerhalten.
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Es war bisher vorausgesetzt worden, @daß der Gleichrichter nach Beendigung
des durch die Störung ausgelösten Regelvorganges denselben Gleichstrom liefert wie
bei dem vor der -Störung vorhandenen Nennbetrieb. Dies läßt sich dadurch erreichen,
daß auch die Gleichrichterregelung auf einen kleineren Steuerwinkel eingestellt
wird. Das Gleichgewicht der Gleichströme wird dabei durch die Störung und den dieser
nachfolgenden Regelvorgang nur wenig geändert, wenn der linke Ast der Regelkennlinie
steil ist. Es kommt hier beispielsweise eine Steilheit in Betracht, nach welcher
der cos ß an dem ungestörten Wechselrichter I um so viel gesenkt wird, wie es der
Spannungsänderung in dem gestörten Netz 7' des Wechselrichters II entspricht. Die
Änderung des Wirkstroms ist an dem gestörten Wechselrichter II verhältnismäßig gering,
da dort der Gleichstrom nur wenig zugenommen und der cos ß ebenfalls nur wenig abgenommen
hat. Dagegen wird sich der Wirkstre.
iri in dem ungestärte.n Wechselrichter
I stärker ändern.
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Es empfiehlt sich, die Einstellung des Reglers auf der Gleichrichterseite
so zu wählen, daß der von diesem gelieferte Strom eher etwas größer ist, als es
der Summe der an ,den Wechselrichterreglern eingestellten Nennströme entspricht.
Bei einer Einstellung des Nennstroms entsprechend dem Punkt A in Fig. z würde man
dann bei Nennbetrieb in dem schraffierten Gebiet rechts von A arbeiten.
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Die Beeinflussung der Steuerung des Gleichrichters I (Fig. 1) kann
in der Weise geschehen, daß der Regler :2 des Gleichrichters über eine Fernsteuerleitung
9 mit einem Summenmeßgerät 8 verbunden ist, welches von den Reglern 6 und 6' der
beiden Wechselrichter I und II beeinflußt wird. Dieses Gerät 8 kann beispielsweise
in der Lastverteilerwarte untergebracht sein. Es meldet die Summe der von sämtlichen
parallel arbeitenden Wechselrichtern benötigten Gleichströme über die Fernsteuereinr
ichtung nach der Gleichrichterseite und stellt dort am Gleichrichterregler 2 den
erforderlichen Summengleichstrom oder, wie vorher e rwa ähnt, einen etwas höheren
Gleichstrom ein. Ist der jedem Wechselrichter zugeführte Gleichstrom größer als
der an dem Wechselrichterregler eingestellte Nennwert, z. B. als der dem Punkt A
in Fig. 2 entsprechende Strom, so arbeitet der Wechselrichter auf dem rechten Teil
der Kennlinie, also mit einem nur unwesentlich niedrigeren cos ,8 als bei Speisung
mit dem Nennstrom. Ist der auf ihn entfallende Gleichstromanteil zu klein, so arbeitet
der Wechselrichter auf dem Kennlinienast links von dem Knickpunkt, wobei der cos
ß rasch absinkt, was nach Möglichkeit zu vermeiden ist.
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Nach welchem Gesetz die Steuerkeimlinie rechts von dem Knickpunkt
bzw. dem dicht oberhalb des Knickpunktes liegenden Arbeitspunkt verläuft, ist nicht
entscheidend. Man kann in diesem Bereich z. B. auch auf konstanten Wirkstrom oder
in geringerem Maße kompoundieren. Wichtiger ist im allgemeinen, daß der linke Ast
der Kennlinie merklich steiler abfällt als der rechte, da dadurch große Stromänderungen
zwischen den parallel arbeitenden Wechselrichtern vermieden werden.
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Um ein längeres Arbeiten des Wechselrichters auf dem linken Ast der
Kennlinie zu vermeiden, ist es zweckmäßig, eine Fernsteuereinrichtung vorzusehen,
welche den Gleichrichter I zu einer Erhöhung der Stromabgabe v eranlaßt, sobald
einer der parallel arbeitenden Wechselrichter auf diesem Kennlinienast arbeitet.
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Im allgemeinen werden die mit Spannungsabsenkungen verbundenen Störungen
nur kurze Zeit andauern, so daß der Betrieb der ungestörten Wechselrichter auf dem
linken Ast ihrer Kennlinie ebenfalls nur kurzzeitig ist. Länger andauernde Spannungsabsenkungen
werden zweckmäßig für einen zwischen dem Wechselrichter und dem gespeisten Wechselstromnetz
liegenden Regeltransformator unwirksam gemacht, der durch seine Regeleinrichtung
die am Wechselrichter liegende Wechselspannung konstant hält. Eine besonders einfache
Kompoundierung für die parallel arbeitenden Wechselrichter erhält man, wenn man
den rechten Kennlinienast oberhalb des Knickpunktes in eine mit der Kennlinie der
Mindestkompoundierung zusammenfallende oder etwas darunterliegende, dazu parallele
Gerade legt. Eine Einstellung auf eine geänderte Nennstromstärke entspricht dann
lediglich einer Parallelverschiebung des linken Kennlinienastes. Derartige Kennlinien,
die unter Zugrundelegung ganz bestimmter Zahlenverhältnisse errechnet sind, zeigt
Fig.3. Man ersieht, daß, wenn beide Wechselrichter mit je 37,5 °/o belastet sind,
der Kosinus des Steuerwinkels = 0,83 ist. Bei 75 bzw. 112,5°/o sind die zugehörigen
Werte des cos ß 0,76 und o,69. Diese Werte sind jedoch nur zu erreichen,
wenn alle parallel arbeitenden Wechselrichter den gleichen Strom führen und eine
Störung in den gespeisten Netzen nicht vorhanden ist. Außerdem ist dabei vorausgesetzt,
daß der von der Gleichrichtersammelschiene gelieferte Strom der Summe der an den
einzelnen Wechselrichtern eingestellten Nennströme entspricht oder allenfalls unwesentlich
größer ist.
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Es fragt sich nun, wie die Kompoundierung in den Wechselrichtern wirkt,
wenn deren Regler auf verschiedene Nennströme eingestellt sind. Arbeiten wiederum
zwei Wechselrichter parallel, so gelten für sie stets die Spannungsgleichungen Ug.-
(J1 + J2) - Gg = G", - J1 + U1 - cos ß, Ug
- (J1 + J2) - Gg. = G,v - J2 + U2 - cos ß2, worin
Ug die Leerlaufspannüng des Gleichrichters, il und J2 die Ströme der beiden Wechselrichter,
Gg den Widerstand des Gleichrichters, G", den Widerstand des Wechselrichters und
U1 bzw. U2 die Leerlaufgleichspannung an dem betreffenden Wechselrichter bei voller
'Aussteuerung bedeutet. Wegen der gemeinsamen Gleichstromsammelschiene, an die die
Wechselrichter angeschlossen sind, müssen die rechten Seiten der beiden Gleichungen
denselben Wert haben. Aus diesen Gleichungen läßt sich ermitteln, wie die zugehörigen
Betriebspunkte auf den Kennlinien liegen, wenn beispielsweise der Wechselrichter
I auf einen Nennstrom von 75'°/o und der Wechselrichter II auf einen Nennstrom von
37,5 % eingestellt ist. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Lastregelung am Wechselrichter
lediglich durch Parallelverschiebung des linken Kennlinienastes vorgenommen wird
unter gleichzeitiger Verstellung des Wertes Jf = J1 + J2 auf der Gleichrichterseite.
Der Ordinatenunterschied der beiden Betriebspunkte der Kennlinien I und II ist gegeben
durch
Damit kann man also einen Punkt für die Kennlinie des Wechselrichters II festlegen.
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Die Gerade p in Fig. 3 verbindet die beiden Arbeitspunkte, auf die
sich die Wechselrichter I und II einstellen. Man erkennt, daß der Arbeitspunkt des
Wechselrichters II auf einem kleineren Wert von cos ß liegt, als es ,der Fall wäre,
wenn
beide Wechselrichter auf je 37,,5 % eingestellt würden. Allgemein
gilt also, daß bei ungleichmäßiger Strombelastung derjenige Wechselrichter, an welchem
der niedrigere Nennstrom eingestellt ist, mit einem geringeren cos ß arbeitet, als
es der Fall wäre, wenn beide Wechselrichter mit dem kleinen Strom betrieben würden.
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Welche Werte stellen sich nun ein, wenn am Wechselrichter I die Spannung
beispielsweise auf 8o % absinkt, unter der Voraussetzung, daß an der Einstellung
des Gleichrichterreglers und der Wechselrichterregler nichts verändert wird. In
diesem Fall gibt die Gerade q die Lage der sich einstellenden Betriebspunkte an.
Am Wechselrichter I sinkt cos ß nur unwesentlich, während am Wechselrichter II ein
Absinken des Kosinus auf o,6¢ eintritt, um die Stromverteilung möglichst aufrechtzuerhalten.
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In Fig. 3 sind außerdem noch die Betriebspunkte eingezeichnet, die
sich bei anderen Werten des Summengleichstroms als 1 i 2,5 % einstellen. Die Gerade
r verbindet die Betriebspunkte am Wechselrichter, die einem Summenstrom von 137,5%
entsprechen und z. B. vorübergehend auftreten, bevor bei einer längeren übertragung
der Gleichrichterregler im Fall einer Störung wieder den ursprünglichen Stromwert
eingestellt hat. Man erkennt daraus, daß während dieses Ausgleichsvorgangs die cos-ß-Werte
an beiden Wechselrichtern vorübergehend tiefer liegen werden als im Endzustand.
Außerdem ergibt sich aus dem Schaubild, daß ein länger andauernder Betrieb mit einer
starken Spannungsabsenkung in dem einen Netz an dem parallel arbeitenden ungestörten
Wechselrichter eine wesentliche Verschlechterung des betriebsmäßigen cos ß hervorruft.
Es ist also zweckmäßig, wie bereits oben erwähnt, länger andauernde Spannungsabsenkungen
durch selbsttätige Spannungsregler außerhalb des Wechselrichters, z. B. durch Stufentransformatoren,
möglichst schnell wieder auszugleichen.
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Dem Schaubild nach Fig. q. ist der gleiche Nennzustand zugrunde gelegt
wie in Fig. 3, d. h. es ist angenommen, daß der Wechselrichter I auf 75'/o und der
Wechselrichter II auf 37,5 % des Nennstroms eingestellt ist. Hier soll der Fall
betrachtet werden, daß eine Spannungsabsenkung, und zwar wiederum auf 8o%, -in dem
von dem Wechselrichter II gespeisten Wechselstromnetz auftritt, d. h. also an demjenigen
Wechselrichter, der die geringere Belastung hat. Für diesen Fall gibt die Gerade
q die Lage der Betriebspunkte für den Summenstrom von i 12,5 %, r für 125 % und
s für i5o% an. Man erkennt, daß die Änderungen des Betriebspunktes des Wechselrichters
I nur gering sind, während am Wechselrichter II der Steuerwinkelkosinus auf dem
linken Teil der Kennlinie zunächst etwas ansteigt, um dann mit ansteigendem Strom
auf dem rechten Ast der Kennlinie wieder abzusinken. Bei fallendem Summenstrom würde
ein Absinken des Betriebspunktes auf dem linken Teil der Kennlinie stattfinden,
das zu sehr tief liegenden Werten von cos ß führen würde. Die Abhängigkeit des cos
ß vom Wechselrichter kann auch von anderen Betriebsgrößen als dem Gleichstrom erfolgen.
Zum Beispiel kann der Strom auf der Drehstromseite, der Wirkstrom, die Wirk- oder
die Scheinlüftung usw. auch als Maß für die Kompoundierung des Steuerwinkels gewählt
werden.
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Es erscheint empfehlenswert, die steil abfallenden Teile der Reglerkennlinien
der Wechselrichter links von den Knickpunkten nach unten zu begrenzen, so daß beispielsweise
für cos ß ein Mindestwert von o,5 bis o,6 nicht unterschritten werden kann. Links
von diesem Mindestwert kann die Kennlinie beispielsweise horizontal verlaufen oder
auch wieder ansteigen. Dieser Kennlinienverlauf verhindert bei starkem Rückgang
des zugeführten Gleichstroms zu tiefe Werte von cos ß. Man erhält außerdem bei Störungen
in den von den parallel arbeitenden Wechselrichtern gespeisten Netzen nur geringe
Änderungen der aufgenommenen Gleichströme. Es ist für die Innehaltung optimaler
Werte des cos ß Voraussetzung, daß die Einstellung der Kompoundierung am Wechselrichter,
die durch Parallelverschiebung des linken Teils der Keimlinie erfolgt, mit der Einstellung
des Wertes am Gleichrichter entsprechend dem Summenwert aller an den Wechselrichtern
eingestellter Ströme übereinstimmt. Diese Einstellung kann durch Fernsteuereinrichtungen
von der Wechselrichterseite her vorgenommen werden, wobei an die Geschwindigkeit
der Einstellung keine besonderen Anforderungen zu stellen sind. Es ist also eine
dauernde Statik der Regelung am Gleichrichter ungünstig. Eine vorübergehende Statik
während des Ausgleichsvorganges kann günstig auf den Ablauf der Ausgleichsvorgänge
einwirken.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine Regeleinrichtung, mit der die erwähnten
geknickten Kennlinien erzielt werden können, zeigt Fig.5. Hierin bedeutet 7 das
Drehstromnetz, welches von einem zweistufigen Wechselrichter gespeist wird. Der
Wechselrichter ist der Einfachheit halber einphasig gezeichnet und besteht aus den
Entladungsstrecken 9 bzw. g', die in Graetzschaltung angeordnet sind und über die
Transformatoren io und io' das Drehstromnetz 7 speisen. Die Gitterspannungen der
Entladungsgefäße 9 bzw. 9' werden durch gesättigte Transformatoren 25 bzw.
25' geliefert, die außer einer Wechselstromerregung eine veränderliche Gleichstromerregung
besitzen. Zu diesem Zweck sind auf jedem der Gittertransformatoren zwei Gleichstromwicklungen
26 und 27 bzw. 26' und 27' vorgesehen. Die Wicklungen 26 und 26' liegen über einen
Einstellwiderstand 23 an einer konstanten Gleichspannungsquelle 24.. Im entgegengesetzten
Sinne wirken die Wicklungen 27 und 27' auf die Gleichstromerregung der Transformatorkerne
ein. Diese Wicklungen liegen an einer veränderlichen Gleichspannung U,,. Zur Erzeugung
dieser Gleichspannung U, sind zwei parallel geschaltete Widerstände 22 und 22' vorgesehen,
von denen jeder an einen besonderen Speisestromkreis 12 bzw. 12 angeschlossen ist.
In dem Stromkreis 12 liegt zunächst ein Widerstand 17, an welchem über einen
Stromwandler
i i, einen Zwischentransformator i., und einen Hilfsgleichrichter 15 eine dem Wechselstrom
des Wechselrichters proportionale Gleichspannung entsteht. Ihre Größe kann mit Hilfe
des Widerstandes 16 eingestellt werden. Der an dem Widerstand 17 auftretenden Gleichspannung
wirkt eine Gleichspannung entgegen, die an dem Widerstand 18 mittels einer Batterie
ig und eines Regelwiderstandes 2o erzeugt wird. In dem Stromkreis 12 sind genau
die gleichen Teile vorhanden, die hier mit 1d.' bis 2o' bezeichnet sind.
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Wesentlich sind nun noch die Ventile 21 und 2i'. -Das Ventil 21 bewirkt,
daß in dem Stromkreis 12 nur dann Strom fließen kann, wenn die dem Wechselstrom
des Wechselrichters proportionale Spannung größer ist als die an dem Widerstand
18 auftretende konstante Spannung. Umgekehrt bewirkt das Ventilei', daß in dem Stromkreis
12' nur bei Überwiegen der konstanten Spannung an dein Widerstand 18' Strom fließen
kann. Wenn die Spannungen, die an den Widerständen 18 und 18' auftreten, so eingestellt
sind, daß der betrettende Stromkreis stromlos ist, wenn der Wechselrichter den Nennstrom
führt, so ergeben sich für die Spannung U", und U2,' an den Widerständen 22 bzw.
22' die in Fig. 6a und 6b dargestellten Kennlinien. Der Verlauf der Spannung U"
in dem Stromkreis der Vormagnetisierungswicklungen 27 und 27' setzt sich aus den
beiden aneinandergefügten Kennlinien gemäß Fig.6a und 6b zusammen. In Fig.6c ist
gezeigt, wie sich die an der Wicklung 26 bzw. 26' auftretende konstante Spannung
U.G mit der veränderlichen Spannung U,, zusammensetzt. Die Ordinatenabschnitte in
dem schraffierten Teil zwischen den beiden Kennlinien sind hier wegen der Trennung
der Wicklungen 2.6 und 27 bzw. 26' und 27' allerdings nur fiktive Spannungen, welchen
die resultierende Vormagnetisierung der Magnetkreise 25 bzw. 25' proportional ist.
Man erkennt, daß diese resultierende Spannung einen Verlauf hat, der der angestrebten
geknickten Kennlinie des Wechselrichters entspricht.