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Stromversorgungseinrichtung, insbesondere für Schienenfahrzeuge
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinrichtung für Schienenfahrzeuge, die eine Batterie und einen Generator umfasst, der zur Erzeugung eines Wechselstromes geeignet ist, welcher gleichgerichtet wird, um den Generatorerregerstrom zu liefern und die einen Regler für den erwähnten Erregerstrom aufweist, der eine vormagnetisierbare Drosselspule mit einer Wechselstromarbeitswicklung aufweist, die mit einem Gleichrichter und einer Generatorerregerwicklung in Serie geschaltet ist.
Die franz. Patentschrift Nr. 1. 042. 935 betrifft eine Schaltungsanordnung zur Regelung der Spannung, insbesondere von Wechselstromgeneratoren mit Hilfe zweier Transduktoren, deren einer einen permanentenMagneten enthält und wobei die zur Erregung des Generators notwendige Gleichspannung vom zweiten Transduktor abgenommen wird, welcher sowohl frequenz-als auch spannungsabhängig gesteuert wird.
Diese Anordnung ist jedoch sehr kompliziert.
Aus dem Aufsatz"Eine neue Zugbeleuchtung"in der ETZ-A, Heft 2. vom 11. Jänner 1954 ist es
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leuchtungsanlagen zu verwenden.
Die österr. Patentschrift Nr. 173123 betrifft eine Ladeeinrichtung für Akkumulatorenbatterien mit einem Wechsel- oder Drehstromgenerator, der über einen Gleichrichter (Ladegleichrichter) auf die Batterie arbeitet, wobei eine Erregerwicklung des Generators über einen besonderen Gleichrichter (Eiregergleichrichter) an den Generator angeschlossen ist unter Verwendung einer zwischen den Generator und den Erregergleichrichter geschalteten Drosselspule, für welche eine Gleichstromvormagnetisierung vorgesehen ist, die durch zwei im entgegengesetzten Sinn wirkende Wicklungen gebildet wird, wobei die Erregung des Generators so geregelt wird, dass bei Erreichen einer bestimmten Batteriespannung die Erregung des Generators so weit verringert ist, dass praktisch kein Ladestrom mehr fliesst.
Jedoch ist die dabei verwendete vormagnetisierte Drosselspule lediglich mit zwei einander entgegenwirkenden Steuerwicklungen versehen, deren eine von einem konstanten Strom und deren andere von einem der Batteriespannnng proportionalen Strom durchflossen wird.
In der österr. Patentschrift Nr. 165998 ist eine Einrichtung'zur Regelung des Stromes in Verbraucheranlagen, insbesondere für Zugsbeleuchtung, beschrieben. Diese Regeleinrichtung besteht aus einem an einenWechselstromerzeuger angeschlossenen Transduktor, welcher von der vom Gleichrichter gelieferten Spannung und vom Belastungsstrom beeinflusst wird. Der Ladestrom wird durch den Transduktor beeinflusst, während die Verbraucherspannung durch einen Regler konstant gehalten wird. Bei dieser Einrich- tung können die transduktorgesteuerten Gleichrichter auch in dem Erregerstromkreis des Wechselstromgenerators geschaltet werden. Dabei wird der Transduktor von einer Erregerstromwicklung und von einer oder mehreren Magnetisierungswicklungen umschlossen.
Da der zur Magnetisierung notwendige Strom konstant gehalten werden muss, um einen gleichmässigen Fluss zu erhalten, muss dieser Wicklung eine Einrichtung vorgeschaltet sein, die den Strom konstant hält. Diese Anordnung bedingt einen relativ hohen Aufwand an Schaltelementen und hat ausserdem noch den Nachteil, dass erhebliche Verluste in Form von Spannungsabfällen in den spannungsregelnden Teilen und in den Magnetisierungswicklungen auftreten.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass die vormagnetisierbare Drossel durch einen Permanentmagneten in an sich bekannter Weise vormagnetisiert ist, und dass eine Steuerstromwicklung der Drossel an die Batteriespannung gelegt oder mit dieser verbindbar angeordnet ist, welche Steuerstromwicklung einen magnetischen Fluss erzeugt, der dem vom Permanentmagneten in ihrem Drosselkeme und innerhalb des permanenten Magneten selbst erzeugten Fluss entgegengerichtet ist. Zu-
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sätzlich zu der auf die Weise geregelten Erregung kanr der Generator auch mit einet Hauptschlusser- regung ausgerüstet sein.
Der Generator kann ein Wechselstromgenerator oder auch ein Gleichstromgenerator sein, der Mittel zur Erzeugung von Wechselstrom aufweist, von denen die Erregung abgeleitet wird.
Die Sättigungsdrossel kann eine einfache Drossel mit den genannten Hauptwicklungen sein. Sie kann jedoch auch mit einer zusätzlichen Gleichstromwicklung oder Wicklungen ausgerüstet sein, die im Falle der Verwendung als Zugbeleuchtungseinrichtung den Generatorstrom und bzw. oder den Lampenstrom und
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könnenden.
Im folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele genauer beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der Fig. 1 eine Schaltung einer Stromversorgungseinrichtung darstellt.
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einerSättigungsdrossel ; in Fig. 3 ist die Schaltung einer modifizierten Einrichtung. die in der Einrichtung gemäss Fig. 1 anwendbar ist, dargestellt. Fig. 4 zeigt eine Ausfüh- rungsvariante einer Drossel, Fig. 5 stellt die Schaltung einer frequenzkompensierten Einrichtung dar.
In der Einrichtung gemäss Fig. l ist derGenerator als Drehstromgenerator 1 ausgebildet, der über einen Dreiphasenhauptgleichrichter 3 eine Batterie 2 und falls gewünscht, Lampen oder eine andere Last der Zugsbeleuchtungseinrichtung versorgt. Die Erregung für die Nebenschlusswicklungen 4 des Generators wird von zwei Phasen des Generators über eine Gleichrichterbrücke 5 abgenommen. Eine Hauptschlusserregung durch eine Wicklung 4a kann, falls gewünscht, von der Gleichstromseite des Hauptgleichrichters in der gezeigten Art abgeleitet werden.
Der Generator 1 wird mittels einer Sättigungsdrossel 6 geregelt, die den Wechselstrom beeinflusst,
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Aussenschenkel 7, wobei jeder dieser Schenkel Teile von geteilten Wicklungen trägt : die Drossel weist weiters zwei Schenkel 8 auf, zwischen denen ein vormagnetisierender Permanentmagnet 9 angeordnet ist. Luftspalte, die auf einer Seite des einen der letztgenannten Schenkel und am andern Ende des zweiten Schenkels angeordnet sind, sind durch Messingbeilagen 10 geschlossen. Der Permanentmagnet hat die Aufgabe, die Aussenschenkel 7 der Drossel zu sättigen. Die geteilte Wechselstromwicklung 11 der Drossel führt im Betriebszustand den oben genannten Wechselstrom.
Die geteilte Haupts1euerwicklung 12, welche zur Aufhebung bzw. teilweisen Neutralisierung der durch den permanenten Magneten 9 hervorgerufenen Sättigung dient, ist mit der Batteric verbunden, so dass die Beeinflussung proportional zur Batterieladespannung erfolgt. In diesen Fall ist eine einfache Spannungsregelung durch Veränderung der Generatorerregung gegeben, wobei eine Konstantspannungscharakterisitik eingestellt werden kann. In Serie mit der Steuerwicklung 12 ist ein einstellbarer Widerstand 13 geschaltet.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise der Drossel wurden in Fig. 2 die Polaritäten und die magnetischen Kraftlinien eingezeichnet. Die strichlierten Linien deuten den Verlauf des durch den permanenten Magneten 9 bei unerregter Steuerwicklung 12 erzeugten Flusses an. Die Wicklung 11 weist in diesem Falle einen gesättigten Kern und infolgedessen auch eine geringe Impedanz auf. Die Wicklung 12 hat, wenn sie erregt ist, die Aufgabe, einen Fluss zu erzeugen, der dem Fluss des Permanentmagneten in den Schenkeln 7 entgegengerichtet ist.
In dem Extremfall, in dem die Erregung der Wicklung 12 die Eliminierung des Flusses in den Schenkeln 7 bewirkt, wird der Fluss des Permanentmagneten vollständig in die strichpunktiert gezeichneten Wege verdrängt. Unter diesen Umständen weist die Wicklung 11 eine hohe Impedanz auf. Luftspalte sind erforderlich, damit der Fluss leicht in die mit strichpunktierten Linien gezeichneten, alternativen Wege verdrängt werden kann, ohne dass die Wicklung 12 eine ausserordentlich hohe magnetomotorische Kraft aufweisen muss. Wenn die Luftspalte zu gross sind, erfordert die Wicklung 12 übermässig viele Ampèrewin- dungen und wenn sie zu klein sind, wird der Fluss der permanenten Magneten 9 nicht zur Sättigung der chenkel 7 ausreichen.
Wie es in Fig. 1 gezeigt ist, kann eine zusätzliche Gleichstromwicklung 14 vorgesehen sein, um die Hauptsteuerwicklung 12 zu unterstützen oder ihr entgegenzuwirken, um beispielsweise eine KompoundCharakteristik des Generators 1 zu erzielen. Eine derartige Wicklung kann den Generatorstrom, den Batteriestrom oder den Strom einer Lampenlast führen, oder es können auch Wicklungen angeordnet sein, die einen oder mehrere dieser Ströme führen. Sie können dazu dienen, die geregelte Spannung zu vergrössern oder zu verkleinern. Eine Erhöhung oder Absenkung der geregelten Spannung kann auch durch Kurzschliessen eines Teiles des Widerstandes 13 bewirkt werden, wenn ein Lastschalter der Einrichtung, ins-
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besondere ein Schalter für eine Lampenlast geschlossen wird.
Ein Trennrelais oder ein Trennschalter kann vorgesehen sein, um die Batterie 2 oder die Batterie und eine. andere Last vom Hauptgleichrichter 3 zu trennen, wenn die Batterie nicht vom Generator 1 geladen wird, wodurch eine langsame Entladung der Batterie vermieden ist, die auftreten würde, wenn die Einrichtung ungeändert bliebe. Eine geeignete Relaisanordnung istin Fig. 3 gezeigt, in der die Relaiswicklung 15 über eine eige- ne Gleichrichterbrücke 16 mit zwei Phasen des Generators 1 verbunden ist und seine Hauptkontakte 17 in der Verbindungsleitung zwischen dem Hauptgleichrichter 3 und der Batterie 2 angeordnet sind. In dieser Figur ist die Anordnung einer Belastung 18 in Form von Lampen gezeigt, wobei diese über einen sogenannten Lampenwiderstand 19 gespeist werden.
Das Relais ist mit Hilfskontakten 20, 20a ausgerüstet, die die Steuerwicklung 12 von den Lampen auf den Ausgang des Hauptgleichrichters 3 umschalten, wenn die Hauptkontakte 17 offen sind. Bei dieser Anordnung wird der Regler normalerweise auf die Lampenspannung ansprechen und diese regeln, er wird aber, falls das Relais nicht ansprechen und seine Kontakte 17 nicht schliessen sollte, durch die Ausgangsspannung des Gleichrichters 3 beeinflusst und diese regeln : so dass Beschädigungen infolge Überspannungen vermieden werden. Wenn die Batterie nicht geladen wird, ist der Lampenwiderstand 19 durch einen Kontakt 19a kurzgeschlossen, der durch eine Relaiswicklung 19b betätigt wird, die mit demselben Gleichrichter 16 wie die Relaiswicklung 15 verbunden ist.
Bei der Drossel kann von'der Einführung eines Rückkopplungs- oder Verstärkungseffektes oder von beiden Gebrauch gemacht werden. Für den Fall einer Rückkopplung, wie in Fig. 4 dargestellt, sind die beiden Teile der Wechselstromwicklung 11 in Parallelschaltung verbunden, wobei Einweggleichrichter 21 so in Serie mit entsprechenden Teilen der Wicklung 11 angeordnet sind, dass. nur jene gegeneinander ge- richtte Halbwellen die genannten Teilwicklungen passieren können, die einen Fluss erzeugen, welcher den Fluss des permanenten Magneten unterstützt. Ein Verstärkungseffekt kann durch eine Wicklung 22 erzielt werden, die, wie in Fig. 1 gezeigt, im Stromkreis der Nebenschlusswicklung 4 auf der Gleichstromseite der Gleichrichterbrücke 5 angeordnet ist.
Weiters kann aucn, fa-Us gewünscht, eine Kompensation der Frequenzänderung, die auf Drehzahl- änderungen des Generators zurückzuführen ist, vorgesehen werden. Wie in Fig. 5 dargestellt, kann eine derartige Kompensation dadurch bewirkt werden, dass man die genannten Hauptsteuerampèrewindungen auf zwei Teile 12a und 12b aufteilt, wobei der eine Teil 12a direkt gespeist wird, während die Speisung des andern Teiles 12b über eine Drosselspule 23 oder andere frequenzabhängige Widerstandanordnungen und einen Gleichrichter 34 erfolgt. Durch diese Anordnung nehmen die gesamten Steuerampère- windungen bei steigender Frequenz ab, wodurch sich der gewünschte Kompensationseffekt auf die zu regelnde Spannung ergibt.
Fig. 5 zeigt die Anwendung dieser Kompensation auf eine Einrichtung mit einem Einphasengenerator ;. im wesentlichen ist diese Anordnung jedoch der Einrichtung gemäss Fig. 1 ähnlich.
Die Fichtungen der magnetischen Flüsse, die durch die verschiedenen Wicklungen hervorgerufen werden, sind durch die entsprechenden Pfeile in Fig. 5 veranschaulicht.
An Stelle eines Wechselstromgenerators kann auch von einem Gleichstromgenerator Gebrauch gemacht werden, der Anschlussstellen an der Ankerwicklung aufweist, von welchen über Schleifringe ein Wechselstrom abgegriffen wird, von dem die Erregung hergeleitet wird. In einer andern Ausführungsform kann ein Gleichstromgenerator mit einer Wicklung in den Polschuhen versehen sein, in welcher durch die Rotation des gezahnten Ankers ein hochfrequenter Wechselstrom induziert wird, von dem die Erregung abgeleitet wird. Schliesslich kann auch ein Generator verwendet werden, der eine getrennte Wechselstromerregermaschine aufweist. Wenn ein Gleichstromgenerator verwendet wird, kann der" Hauptgleichrichter 3 " entfallen. Die Einschaltevorrichtung ist jedoch erforderlich.
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Stromversorgungseinrichtung für Schienenfahrzeuge, die eine Batterie und einen Generator umfasst, der zur Erzeugung eines Wechselstromes geeignet ist, welcher gleichgerichtet wird, um den Generatorerregerstrom zu liefern und die einen Regler für den erwähnten Erregerstrom aufweist, der eine vormagnetisierbare Drosselspule mit einer Wechselstromarbeitswicklung aufweist, die mit einem Gleich-
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magnetisierbare Drossel (6) durch einen Permanentmagneten (9) in an sich bekannter Weise vormagnetisiert ist, und dass eine Steuerstromwicklung (12) der Drossel (6) an die Batteriespannung gelegt oder mit dieser verbindbar angeordnet ist, welche Steuerstromwicklung (12) einen magnetischen Fluss erzeugt, der dem vom Permanentmagneten (9) in ihrem Drosselkerne und innerhalb des permanenten Magneten selbst erzeugten Fluss entgegengerichtet ist.
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Power supply device, in particular for rail vehicles
The invention relates to a power supply device for rail vehicles which comprises a battery and a generator which is suitable for generating an alternating current which is rectified in order to deliver the generator excitation current and which has a regulator for the aforementioned excitation current which has a pre-magnetizable choke coil an AC working winding connected in series with a rectifier and a generator excitation winding.
The French Patent specification No. 1,042,935 relates to a circuit arrangement for regulating the voltage, in particular of alternating current generators with the aid of two transducers, one of which contains a permanent magnet and the direct voltage required to excite the generator is taken from the second transductor, which is both frequency and is controlled depending on the voltage.
However, this arrangement is very complicated.
It is from the essay "A new train lighting" in the ETZ-A, issue 2. of January 11, 1954
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to use lighting systems.
The Austrian patent specification No. 173123 relates to a charging device for accumulator batteries with an alternating or three-phase generator that works on the battery via a rectifier (charging rectifier), whereby an excitation winding of the generator is connected to the generator via a special rectifier (Eiregerrectifier) a choke coil connected between the generator and the exciter rectifier, for which a direct current bias is provided, which is formed by two windings acting in opposite directions, the excitation of the generator being regulated so that when a certain battery voltage is reached, the excitation of the generator is reduced so much is that practically no more charging current flows.
However, the pre-magnetized choke coil used is only provided with two counteracting control windings, one of which is traversed by a constant current and the other by a current proportional to the battery voltage.
A device for regulating the current in consumer systems, in particular for train lighting, is described in Austrian patent specification No. 165998. This control device consists of a transducer connected to an alternating current generator, which is influenced by the voltage supplied by the rectifier and the load current. The charging current is influenced by the transducer, while the consumer voltage is kept constant by a regulator. With this device, the transducer-controlled rectifiers can also be switched in the excitation circuit of the alternating current generator. The transducer is surrounded by an excitation current winding and one or more magnetizing windings.
Since the current required for magnetization has to be kept constant in order to obtain an even flow, this winding must be preceded by a device that keeps the current constant. This arrangement requires a relatively high cost of switching elements and also has the disadvantage that considerable losses occur in the form of voltage drops in the voltage-regulating parts and in the magnetizing windings.
According to the invention, these disadvantages are avoided in that the pre-magnetizable choke is pre-magnetized by a permanent magnet in a manner known per se, and that a control current winding of the choke is connected to the battery voltage or can be connected to it, which control current winding generates a magnetic flux similar to that of the permanent magnet in their throttle cores and within the permanent magnet itself generated flux is opposite. To-
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In addition to the excitation regulated in this way, the generator can also be equipped with a main circuit excitation.
The generator can be an alternating current generator or else a direct current generator which has means for generating alternating current from which the excitation is derived.
The saturable choke can be a simple choke with the main windings mentioned. However, it can also be equipped with an additional direct current winding or windings which, when used as a train lighting device, generate the generator current and / or the lamp current and
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able to.
Various exemplary embodiments are described in more detail below, reference being made to the drawing, in which FIG. 1 shows a circuit of a power supply device.
Fig. 2 shows a schematic diagram of a saturation reactor; in Fig. 3 is the circuit of a modified device. which is applicable in the device according to FIG. 1 is shown. FIG. 4 shows an embodiment of a throttle, FIG. 5 shows the circuit of a frequency-compensated device.
In the device according to FIG. 1, the generator is designed as a three-phase generator 1 which supplies a battery 2 and, if desired, lamps or another load of the train lighting device via a three-phase main rectifier 3. The excitation for the shunt windings 4 of the generator is taken from two phases of the generator via a rectifier bridge 5. Main circuit excitation through a winding 4a can, if desired, be derived from the DC side of the main rectifier in the manner shown.
The generator 1 is regulated by means of a saturation reactor 6, which influences the alternating current,
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Outer limb 7, each of these limbs carrying parts of split windings: the choke also has two limbs 8, between which a pre-magnetizing permanent magnet 9 is arranged. Air gaps which are arranged on one side of one of the last-mentioned legs and at the other end of the second leg are closed by brass shims 10. The permanent magnet has the task of saturating the outer legs 7 of the throttle. The split alternating current winding 11 of the choke carries the above-mentioned alternating current in the operating state.
The divided main new winding 12, which serves to cancel or partially neutralize the saturation caused by the permanent magnet 9, is connected to the battery, so that the influence is proportional to the battery charging voltage. In this case, a simple voltage regulation is given by changing the generator excitation, whereby a constant voltage characteristic can be set. An adjustable resistor 13 is connected in series with the control winding 12.
For a better understanding of the mode of operation of the throttle, the polarities and the magnetic lines of force have been drawn in in FIG. The dashed lines indicate the course of the flux generated by the permanent magnet 9 when the control winding 12 is not excited. In this case, the winding 11 has a saturated core and consequently also has a low impedance. When it is excited, the winding 12 has the task of generating a flux which is opposite to the flux of the permanent magnet in the legs 7.
In the extreme case in which the excitation of the winding 12 causes the elimination of the flux in the legs 7, the flux of the permanent magnet is completely displaced into the paths shown in dash-dotted lines. Under these circumstances, the winding 11 has a high impedance. Air gaps are required so that the flux can easily be displaced into the alternative paths shown with dash-dotted lines, without the winding 12 having to have an extraordinarily high magnetomotive force. If the air gaps are too large, the winding 12 requires an excessive number of ampere turns and if they are too small, the flux of the permanent magnets 9 will not be sufficient to saturate the legs 7.
As shown in FIG. 1, an additional direct current winding 14 can be provided to support the main control winding 12 or to counteract it, for example in order to achieve a compound characteristic of the generator 1. Such a winding can carry the generator current, the battery current or the current of a lamp load, or windings can also be arranged which carry one or more of these currents. They can be used to increase or decrease the regulated voltage. An increase or decrease in the regulated voltage can also be brought about by short-circuiting part of the resistor 13 if a load switch of the device, especially
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in particular a switch for a lamp load is closed.
An isolating relay or a isolating switch can be provided to the battery 2 or the battery and a. disconnect another load from the main rectifier 3 when the battery is not being charged by the generator 1, thereby avoiding the slow discharge of the battery which would occur if the device were left unchanged. A suitable relay arrangement is shown in FIG. 3, in which the relay winding 15 is connected to two phases of the generator 1 via its own rectifier bridge 16 and its main contacts 17 are arranged in the connecting line between the main rectifier 3 and the battery 2. This figure shows the arrangement of a load 18 in the form of lamps, these being fed via a so-called lamp resistor 19.
The relay is equipped with auxiliary contacts 20, 20a, which switch the control winding 12 from the lamps to the output of the main rectifier 3 when the main contacts 17 are open. With this arrangement, the regulator will normally respond to the lamp voltage and regulate it, but if the relay does not respond and its contacts 17 should not close, it will be influenced by the output voltage of the rectifier 3 and will regulate it: so that damage due to overvoltages is avoided . When the battery is not being charged, the lamp resistor 19 is short-circuited by a contact 19a which is actuated by a relay winding 19b which is connected to the same rectifier 16 as the relay winding 15.
In the case of the choke, use can be made of the introduction of a feedback or amplification effect or of both. In the event of a feedback, as shown in FIG. 4, the two parts of the alternating current winding 11 are connected in parallel, with half-wave rectifiers 21 being arranged in series with corresponding parts of the winding 11 so that only those half-waves directed against one another are mentioned Partial windings can pass that generate a flux that supports the flux of the permanent magnet. A reinforcement effect can be achieved by a winding 22 which, as shown in FIG. 1, is arranged in the circuit of the shunt winding 4 on the direct current side of the rectifier bridge 5.
Furthermore, if desired, a compensation for the frequency change that can be traced back to changes in the speed of the generator can also be provided. As shown in FIG. 5, such a compensation can be effected by dividing the aforementioned main control ampere turns into two parts 12a and 12b, one part 12a being fed directly, while the other part 12b is fed via a choke coil 23 or others frequency-dependent resistor arrangements and a rectifier 34 takes place. As a result of this arrangement, the total control ampere turns decrease with increasing frequency, which results in the desired compensation effect on the voltage to be regulated.
Fig. 5 shows the application of this compensation to a device with a single phase generator; However, this arrangement is essentially similar to the device according to FIG.
The directions of the magnetic fluxes caused by the various windings are illustrated by the corresponding arrows in FIG.
Instead of an alternating current generator, use can also be made of a direct current generator which has connection points on the armature winding from which an alternating current is tapped via slip rings, from which the excitation is derived. In another embodiment, a direct current generator can be provided with a winding in the pole pieces, in which a high-frequency alternating current is induced by the rotation of the toothed armature, from which the excitation is derived. Finally, a generator can also be used which has a separate alternating current exciter. If a direct current generator is used, "main rectifier 3" can be omitted. However, the switch-on device is required.
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Power supply device for rail vehicles, which comprises a battery and a generator which is suitable for generating an alternating current, which is rectified in order to deliver the generator excitation current and which has a regulator for the excitation current mentioned, which has a bias coil with an alternating current working winding, which with a match
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magnetizable choke (6) is pre-magnetized by a permanent magnet (9) in a manner known per se, and that a control current winding (12) of the choke (6) is connected to the battery voltage or can be connected to it, which control current winding (12) has a magnetic flux generated, which is opposed to the flow generated by the permanent magnet (9) in their throttle cores and within the permanent magnet itself.