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Anordnung zum selbsttätigen Regeln von mit gesteuerten, insbesondere
gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken arbeitenden Stromrichtern Die
Erfindung bezieht sich auf Stromrichter und hat insbesondere die Ausbildung von
Steuerkreisen zum Gegenstand. Bei der Regelung von Stromrichtern ist es häufig erwünscht,
besondere Betriebsbedingungen, z. B. die Ausgangsgleichspannung eines Gleichrichters,
innerhalb möglichst geringer Grenzen konstant zu halten. Dabei erfordern die Großstromrichter
vielfach infolge ihres Gitterstromes erhebliche Steuerleistungen, die von den Steuerkreisen
aufgebracht werden müssen. Die Phasenlage der von diesen leistungsfähigen Steuerkreisen
gelieferten Steuerspannungen soll mittels möglichst geringer Steuerleistungen verändert
werden können, damit eine empfindliche Regelung erreicht wird. Zur selbsttätigen
Veränderung der Phasenlage haben sich dabei statische Phasenschieber, z. B. Brückenanordnungen,
sehr bewährt.
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Die Erfindung betrifft nun Anordnungen zum selbsttätigen Regeln von
mit gesteuerten, insbesondere gittergesteuerten Dampf- oder Gasentladungsstrecken
arbeitenden Stromrichtern in Abhängigkeit von vorbestimmten Betriebsbedingungen
unter Verwendung von Phasenschieberbrücken zur Beeinflussung der Phasenlage der
Steuerspannungen
für die Entladungsstrecken, die Hochvakuumröhren
in einem und Induktivitäten in einem anderen Brückenzweig enthalten. Nach der Erfindung
ist zur Erhöhung der Empfindlichkeit eine gegenseitige rückkoppelartige Beeinflussung
zwischen Röhren und sättigbaren Drosseln der Brücke oder eine Rückkopplung zwischen
Steuer- und Anodenkreis der Röhren vorgesehen.
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Die Fig. i zeigt ein :Ausführungsbeispiel der Erfindung. -Mit Hilfe
des gezeigten Stromrichters wird ein Gleichstromnetz io aus einem Wechselstromnetz
i i gespeist. Der Stromrichtertransformator 12 liegt mit seiner Primärwicklung 14
an dem Wechselstromnetz 11, während der Mittelpunkt seiner Sekundärwicklung 15 an
den einen Pol des Gleichstromnetzes io angeschlossen ist. Die freien Enden der Sekundärwicklung
15 sind mit den Anoden 16 und 17 des mehränodigen Entladungsgefäßes 13 verbunden,
dessen flüssige Kathode i8 mit dem anderen Pol des Gleichstromnetzes in Verbindung
steht. Den Anoden 16 und 17 sind Steuergitter i9 und 2o zugeordnet, um die Ausgangsspannung
des Gleichrichters verändern zu können. Das Entladungsgefäß 13 besitzt vorzugsweise
Dampf- oder Gasfüllung und kann natürlich auch durch zwei einanodige Gefäße ersetzt
werden. Ein Steuerkreis 21 liefert die Steuerspannungen für die Gitter i9 und 2o.
Er ist so ausgebildet, daß er den Gittern i9 und 2o die für einen Großgleichrichter
erforderliche Steuerleistung liefern kann. Die Phasenlage dieser Steuerspannungen
wird nun mit ganz geringer Steuerleistung durch den Regelkreis 22 eingestellt, der
in Abhängigkeit von irgendeiner Betriebsgröße des Stromrichters, beispielsweise
von der Gleichspannungshöhe, arbeitet.
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Der Steuerkreis 21 enthält zwei getrennte Kreise, die den Gittern
i9 und 20 Steuerspannungen liefern, wobei diese Spannungen gegeneinander eine Phasenverschiebung
von i8d° besitzen. Das Gitter i9 ist über einen Strombegrenzungswiderstand 23 an
den Phasenschieberkreis 24 angeschlossen. Dieser Kreis 24 enthält zwei gleiche Zweige
25 und 26 in Form von Widerständen oder Induktivitäten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
bilden diese Zweige 25 und 26 gleichzeitig einen Spannungsteiler für die- Wechselspannung,
die ihnen mit Hilfe der Primärwicklung 27 zugeführt wird. Diese Primärwicklung 27
ist an das Wechselstromnetz i i angeschlossen. Einer der weiteren Brückenzweige
enthält eine Hochvakuumröhre 28, die durch ihre Gittersteuerung einen weränderlichen
Widerstand darstellt, :während der vierte Brückenzweig eine veränderliche InduktiVität
29 enthält. Diese Induktivität wird durch Gleichstromv ormagnetisierung des zugehörigen
Eisenkernes mit Hilfe der Wicklungen 3o und 31 verändert. In gleicher ZNT,eise wird
das Gitter 2o über einen Strombegrenzungswiderstand 32 aus einem Brückenzweig 33
mit den beiden Wicklungen 34, 35 gespeist, der genau so aufgebaut ist wie der Brückenkreis
24. Die Vormagnetisierungsw icklung 31 der beiden Drosseln 29 und 37 wird aus einer
geeigneten Gleichstromquelle 38 gespeist, wodurch der beiden- Wicklungen gemeinsame
Eisenkern vormagnetisiert wird. Die Vormagnetisierungswicklung 3o stellt gemäß der
Erfindung eine Rückkopplung dar, um die Empfindlichkeit des Phasenschieberkreises
zu erhöhen, und liegt in Reihe mit den Drosselwicklungen 29 und 37. Diese Wicklung
30 wird von dem Gleichstrom durchflossen, der durch die Hochvakuumröhren 28 und
36 fließt. Diese Hochvakuumröhren enthalten neben ihren Anoden 39 und Kathoden 4o
auch Steuergitter 41, die aus dem Steuerkreis 22 über Strombegrenzungswiderstände
42 gesteuert werden. Dieser Steuerkreis 22 ist in dem Ausführungsbeispiel mit einem
Spannungsteiler 43 versehen, über dessen Schleifkontakt 44 die Gitterkreise der
beiden Hochv akuumröhren ihre Vörspannung erhalten. Die Einstellung des Schleifkontaktes
wird selbsttätig in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße des Stromrichters, in vorliegendem
Fall in Abhängigkeit von der Spannung des Gleichrichters verändert, wozu ein Relais
iö verwendet wird.
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Die Arbeitsweise der Anordnung nach Fig. i ist folgende: Die Anoden
16 und 17 werden über den Transformator i2 aus dem Wechselstromnetz i i gespeist,
und der Stromrichter liefert Gleichstrom an den Belastungskreis io. Den Steuerelektroden
i9 und 2o -werden mit Hilfe der Phasenschieberkreise 24 und 33 Steuerspannungen
entsprechender Leistung zugeführt. GVenn die Spannung des Belastungskreises i o
unter einem vorgeschriebenen und einzuhaltenden konstanten Wert absinkt, ist es
notwendig, die Phasenlage der Steuerspannungen, die den Steuergittern i9 und 2o
zugeführt werden, vorzuverlegen, damit die Ausgangsspannung wieder ihren vorgeschriebenen
Wert erreicht. Mit Hilfe des Relais io' wird zu diesem Zweck der Schleifkontakt
44 des Potentiometers 43 in solcher Richtung verstellt, daß den Steuerelektroden
41 der Hochvakuumröhren 28 und 36 eine erhöhte negative Spannung zugeführt wird:
Durch Erhöhung der negativen Spannung ihrer Gitter bilden die Röhren 28 und 36 einen
erhöhten Widerstand in den Brückenkreisen 24 und 33, und dementsprechend fließt
durch die Gleichstromwicklung 3o der Sättigungsdrosseln ein geringer Strom. Die
Wicklung 30 ist auf den Kern der Sättigungsdrossel in dem Sinne aufgebracht
worden, daß ein Stromfluß in ihr der Sättigungswirkung des Stromes in der Wicklung
31 entgegenwirkt. Aus diesem Grunde bewirkt eine Zunahme des Widerstandswertes der
Entladungsstrecken 28 und 36 und eine entsprechende Abnahme des Stromes in der Wicklung
3o auch eine Abnahme der Induktivität der Wicklungen 29 und 37, weil der zugehörige
Eisenkern stärker gesättigt wird. Durch Erhöhung des Widerstandes der Röhren 28
und 36 und gleichzeitige Verringerung der Induktivität der in den anderen Brückenzweigen
liegenden Wicklungen 29 und 37 wird die Phasenlage der Steuerspannungen für die
Gitter icg und 20 vorverlegt, wodurch die Ausgangsspannung des Hauptgleichrichters
erhöht wird, bis die normalen bzw. gewünschten Arbeitsbedingungen wieder hergestellt
sind.
Durch Veränderung der Größe der Widerstände und Induktivitäten in den elektrischen
Parallelpfaden der Brücken in entgegengesetzter Richtung wird gemäß der Erfindung
eine verstärkte Veränderung der Phasenlage der abgegebenen Steuerspannungen erreicht.
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Die Wirkung der Phasenschieberkreise 24 und 33 wird durch die Fig.
2 klar. Die Spannung, die den Sekundärwicklungen 34 und 35 zugeführt wird, ist mit
E bezeichnet. Sie ist ungefähr in Phase mit der Spannung, die der Hauptanode 17
zugeführt wird. VG stellt den Vektor der Spannung dar, die der Steuerelektrode
2o bei bestimmten Arbeitsbedingungen erteilt wird und die gegenüber der gezeigten
Lage im voreilenden und nacheilenden Sinne um 90'° verändert werden kann. Die Wicklung
37, die eine veränderliche Induktivität darstellt, ist in der Fig. 2 mit 37' bezeichnet,
und entsprechend ist der veränderliche Widerstand, die Hochvakuumröhre 36, in der
Fig. 2 mit 36' bezeichnet. Man erkennt nun leicht, daß, wenn der Widerstandswert
erhöht wird und gleichzeitig die Induktivität 37 verringert, die Gitterspannung
ha entgegen dem Uhrzeigersinnegedreht wird, so daß der Winkel zwischen der Spannung
E und dieser Steuerspannung hc, verringert wird und damit die Zündzeitpunkte der
Hauptentladungsstrecken vorverlegt werden. Bemerkt sei noch, daß die Polaritätszeichen
an den Wicklungen 25 und 26, 34 und 35 Augenblickswerte darstellen, um die Wirkungsweise
klarzulegen.
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Die Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Sie
stellt einen Ausschnitt aus dem Steuerkreis der Anordnung nach Fig. i dar, wobei
gleiche Schaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. i versehen
worden sind. Der Unterschied gegenüber Fig. i liegt darin, daß die Phasenschieberkreise
24 und 33 ungesteuerte Hochvakuumröhren 45 und 53 enthalten, deren Widerstand annähernd
konstant ist. Die veränderliche Induktivität des anderen Brückenzweiges wird durch
die Wicklung 29 gebildet, die in der gleichen Weise wie in Fig. i auf einen geeigneten
Eisenkern 46 aufgebracht ist. Zur Erzielung der entsprechenden Steuerwirkung wie
in Fig. i sind drei Gleichstromvormagnetisierungswicklungen für den Eisenkern 46
vorgesehen. Die Vormagnetisierungswicklung 47 wird aus einer geeigneten Stromquelle
48 gespeist und dient dazu, eine feste Vormagnetisierung des Eisenkernes zu erzeugen.
Die Vormagnetisierungswicklung 49 ist die eigentliche Steuerwicklung, die an die
Stelle der Gittersteuerung der Hochvakuumröhren in Fig. i tritt, und kann aus irgendeiner
geeigneten Spannungsquelle 5o gespeist werden, beispielsweise von einem Spannungsteiler
43 wie in Fig. i. Die dritte Vormagnetisierungswicklung 51 stellt die Rückkopplungswicklung
dar, die die Wirkung der Steuerwicklung 49 erhöhen soll. Sie erzeugt im Eisenkern
46 einen Fluß in der gleichen Richtung wie die Wicklung 49. Der Fluß der Wicklung
47 dagegen ist dem Fluß der Wicklungen 49 und 51 entgegengesetzt. In Reihe mit den
Hochvakuumröhren 45 und 53 liegen Anodenwiderstände 52 und 54. Der Steuerkreis 33
ist genau wie der Steuerkreis 24 aufgebaut. 55 ist ein einstellbarer Vorschaltwiderstand
in der Kathodenleitung.
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Die Wirkungsweise der Steuerkreise nach Fig. 3 entspricht ganz derjenigen
der Fig. i. Irgendwelche Änderungen der Steuerspannung 5o, die in Abhängigkeit von
den zu beeinflussenden Betriebsbedingungen des Stromrichters verändert wird, ändert
über die Wicklung 49 die Sättigung des Eisenkernes 46, auf dem die Wicklungen 29
und 37 angebracht sind. Hierdurch wird nicht nur die Induktivität dieser Wicklungen
verändert, sondern auch die Höhe des Stromes, der durch die Gleichstromvormagnetisierungswicklung
51 fließt, und hierdurch wird wiederum eine Verstärkung bewirkt, so daß eine geringe
Änderung der Steuerspannung 5o eine sehr große Gesamtänderung der Induktivität der
Wicklungen 29 und 37 erzeugt und damit eine erhebliche und verstärkte Änderung der
Phasenlage der Gittersteuerspannungen für die Steuergitter i9 und 20.
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Statt die Induktivität zu verändern und den Widerstand konstant zu
lassen, kann die Phasenänderung der Gitterspannungen nach der Erfindung auch dadurch
geschehen, daß das Widerstandselement in erfindungsgemäßer Weise beeinflußt wird
und die Induktivität konstant bleibt. Die Fig. 4 zeigt eine derartige Anordnung,
und zwar in ihrer Anwendung auf einen Stromrichter zur Batterieladung. Entsprechende
Teile sind in der Fig. 4 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig: i versehen.
Die Batterie 56 liegt im Gleichstromkreis des zweiphasigen Gleichrichters. Der Kreis
57 enthält zwei Erregeranoden 58 und 59, die mit den Widerständen 6o und 61 in Reihe
liegen. Diese Erregeranoden werden aus dem Wechselstromnetz i i über einen Transformator
62 gespeist. Um eine Steuerspannung zu erhalten, die abhängig ist von Änderungen
der Spannung der Batterie 56, ist zu dieser Batterie 56 ein Kreis parallel geschaltet,
der die Glimmentladungsstrecke 63 und den Widerstand 64 enthält. Der Spannungsteiler
65 liegt ebenfalls parallel zur Batterie 56, und mit Hilfe seines Schleifkontaktes
66 kann man die Höhe der Steuerspannung so wählen, daß Batterien verschiedener Spannung
mit der gleichen Anordnung geladen werden können. Da die Spannung an der Glimmlampe
63 konstant ist, liegen alle Änderungen der Batteriespannung am Widerstand 6q.,
und 'dementsprechend erhält man eine Steuerspannung, die von der Abweichung der
Batteriespannung von ihrer vorgeschriebenen Spannung beeinflußt wird, zwischen dem
Schleifkontakt 66 und dem Punkt 67. Diese Spannung wird in die Gitterkreise der
Hochv akuumröhren 68 und 69 eingefügt und bewirkt eine Veränderung des Widerstandes
dieser Hochvakuumröhren, die in den Phasenschieberkreisen 24 und 33 liegen. Ein
Glättungsköndensator 7o kann zu einem Teil des Spannungsteilers 65 parallel geschaltet
werden, und ein Glättungskondensator 71 kann die Gitterkreise der Hochvakuumröhren
68 und 69 überbrücken: Die
Brückenkreise 24 und 33 enthalten außerdem
Induktivitäten 72 und 73, feste Induktivitäten 74 und 75 sowie Wicklungen 76 und
77, die die Sekundärwicklung des Transformators 62 bilden. Die Hochvakuumröhren
68 und 69 haben Anoden 78, Kathoden 79, Schirmgitter 8o, die an die Kathode 18 des
Hauptentladungsgefäßes 13 angeschlossen sind, und Steuerelektroden 81, die über
geeignete Strombegrenzungswiderstände 82 an die obenerwähnte Steuerspannung angeschlossen
sind, die zwischen den Anschlüssen 66 und 67 auftritt. Die Röhren 68 und
69 können außerdem mit Schutzgittern Boa versehen sein, die zwischen den Schirmgittern
8o und den Anoden 78 liegen. Diese Schutzgitter sind, wie gezeigt, an die Kathoden
79 angeschlossen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 4 ist auch ähnlich derjenigen
der Anordnung nach Fig. i. Die Wechselspannung des Kreises i i wird in Gleichspannung
umgewandelt und an die Batterie 56 gelegt. Wenn aus irgendeinem Grunde die Spannung
der Batterie 56 über den vorgeschriebenen Wert ansteigt, so entsteht zwischen dem
Schleifkontakt 66 und dem Punkt 67 eine Spannung in dem Sinne, daß den Steuergittern
81 eine positive Spannung zugeführt wird. Hierdurch wird der Widerstand der Röhren
68 und 69 verringert und, da keine Veränderung der Induktivitäten 74 und 75 erfolgt,
werden, wie aus Fig. 2 hervorgeht, die den Steuerelektroden i9 und 2o zugeführten
Steuerspannengen in ihrer Phasenlage verzögert, und dementsprechend nimmt dieAusgangsspannung
des Gleichrichters ab, bis die gewünschten Arbeitsbedingungen wieder hergestellt
sind.
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Die Fig. 5, 6 und 7 sollen die Übereinstimmung zwischen den Phasenschieberkreisen
nach Fig. i und nach Fig. 4 zeigen. In Fig. 5 ist der Phasenschieberkreis 24 der
Fig. i schematisch dargestellt. Mit 29 ist die regelbare Induktivität 29 der Fig.
i bezeichnet. In Fig. 6 ist der gleiche Phasenschieberkreis abgeändert, wobei die
Spannungswicklungen 25 und 26 der Fig. 5 getrennt sind und in verschiedene Brückenzweige
gelegt wurden. Diese getrennten Wicklungen sind jetzt mit den Bezugszeichen 72 und
76 bezeichnet, so daß sie mit den entsprechenden Elementen der Fig. i übereinstimmen.
Durch die Verlagerung dieser Wicklungen in den gegenüberliegenden Brückenzweig wird,
sofern die Induktivität der Wicklungen nicht verändert ist, keine Veränderung in
der Wirkungsweise herbeigeführt. Die Fig. 7 ist eine Abwandlung der Fig. 6, wobei
jedoch gemäß der Erfindung eine zusätzliche Spannungsquelle 64' in Reihe mit der
Röhre 68 eingefügt ist. Diese Spannungsquelle 64' entspricht dem Spannungsabfall
am Widerstand 64 der Fig. 4. Hierdurch entspricht jetzt der Phasenschieberkreis
24 der Fig. 4 der schematischen Darstellung in Fig. 7. Dadurch, daß die Spannung
64' ebenfalls von den Betriebsbedingungen des Stromrichters abhängt, wird eine zusätzliche
Beeinflussung, also eine Rückkopplung in den Phäsenschieberkreis gemäß Fig. 7 eingefügt,
der demnach genau wie der Kreis nach Fig. i gemäß der Erfindung eine Verstärkung
der Steuerwirkung entstehen läßt.
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In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt,
und zwar eine Abänderung der Batterieladeeinrichtung nach Fig. 4. Hier werden wieder
eine veränderbare Induktivität und ein konstanter Widerstand in den Steuerkreisen
24 und 33 verwendet. Eine Sättigungsdrossel 82 ist ähnlich wie in Fig. 3 vorgesehen,
ihre Wicklung 83 liegt in dem Phasenschieberkreis 24, während ihre Wicklung 84 in
einen Zweig des Phasenschieberkreises 33 eingefügt ist. Drei Sättigungswicklungen
85, 86, 87 sind vorgesehen, um den Eisenkern der Drossel 8:2 vorzumagnetisieren.
DieVormagnetisierungswicklung 85 wird von einer Spannung gesteuert, die zwischen
dem Schleifkontakt 66 und dem Punkt 67 eines Steuerkreises abgenommen wird, der
mit dem Steuerkreis der Fig: 4 identisch ist und die gleichen Bezugszeichen wie
dieser hat. Diese Steuerspannungen werden in den Gitterkreis einer Hochvakuumröhre
88 eingefügt, die eine Anode 89, eine Kathode 9o und ein Steuergitter 9i besitzt.
Ein Strombegrenzungswiderstand 92 liegt in Reihe mit dem Steuergitter gi, und ein
Glättungskondensator 93 kann ,diesem Steuerkreis parallel geschaltet werden. Die
Röhre 88 arbeitet als Verstärker und wird aus der Sekundärwicklung 94 mit Anodenspannung
versehen. Um diesen Kreis von hohen Spannungen entgegengesetzter Richtung zu befreien
und um die in der Wicklung 85 während der negativen Halbwellen der Spannung in der
Wicklung 94 induzierten entgegengesetzten Spannungen auszugleichen, wird eine angesteuerte
Hochvakuumröhre 95 vorgesehen. Ein. Gleichstrom fließt nun in der - Wicklung 85,
der unmittelbar abhängig ist von der Spannung der Batterie 56. Die Sättigungswicklung
86 dient wieder zur Erzeugung einer konstanten Gleichstromvormagnetisierung, deren
Höhe mit Hilfe des Widerstandes 96 verändert werden kann, um den Arbeitspunkt der
Anordnung auf einen besonders empfindlichen Wert einzuregeln. Diese Spannung kann
in einfacher Weise von der Glimmentladungsstrecke 63 abgenommen werden. Um für die
Steuergitter i9 und 2o eine konstante negative Vorspannung zu erzeugen, ist ein
Spannungsteiler 97 vorgesehen, von dem die Gittervorspannung mit Hilfe der Leitung
98 abgenommen werden kann. Ein Glättungskondensator 99 kann in diesen Kreis zusätzlich
eingefügt werden. Um den Verstärkungsfaktor der Brückenkreise 24 und 33 zu erhöhen,
wenn Veränderungen in der Steuerspannung der Wicklung 85 auftreten, ist gemäß der
Erfindung eine Rückkopplungswicklung 87 vorgesehen, die vom Gleichstrom der Brückenkreise
in solcher Richtung durchflossen wird, daß sie die Wirkung der Wicklung 85 unterstützt.
Die Elemente konstanten Widerstandes in den Phasenschieberkreisen 24 und 33 sind
die Hochväkuümröhren ioo und ioi, die mit den Widerständen ioz und 103 in
Reihe geschaltet sind. Ein veränderlicher Widerstand 104 ist vorgesehen, um den
Verstärkungsfaktor der Rückkopplung zu verändern.
Die übrigen Bezugszeichen
entsprechen denen der Fig. 4..
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Wenn die Speisung der Batterie 56 über den gewünschten Wert ansteigt,
entsteht zwischen dem Schleifkontakt 66 und dem Punkt 67 eine solche Spannung, daß
dem Gitter 9i der Röhre 88. eine negative Spannung zugeführt wird. Hierdurch wird
die Stromstärke in der Wicklung 85 verringert. Eine Abnahme dieses Sättigungsstromes
bewirkt eine Zunahme der Induktivität der Wicklungen 83 und 8q., wodurch, wie in
Fig. 2 gezeigt, die Steuerspannungen für die Gitter i9 und 2o verzögert werden.
Hierdurch wird die Ausgangsspannung des Gleichrichters verringert und der gewünschte
Zustand wieder hergestellt. Durch die Rückkopplungswicklung der Drossel 82 fließt
während des eben beschriebenen Regelvorganges ein entsprechend geringerer Gleichstrom,
wodurch eine weitere Abnahme in der Sättigung dieser Drossel hervorgerufen wird
und dementsprechend eine weitere Zunahme der wirksamen Induktivität der Wicklungen
83 und 8q.. Hierdurch tritt, wie schon mehrfach beschrieben, eine Verstärkung der
Wirkung ein.