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Schaltungsanordnung zur Erregung eines Asynchrongenerators Die Erfindung
bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erregung eines Asynchrongenerators,
zwischen dessen Ausgangsleitungen Kondensatoren angeordnet sind, die den zur Erregung
erforderlichen kapazitiven Blindstrom abgeben, welcher durch Schaltmaßnahmen veränderlich
ist.
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Bekanntlich muß der Blindstrom für die Erregung-eines Asynchrongenerators
von dem Wechselspannungsnetz geliefert werden, an das der Asynchrongenerator angeschlossen
ist. Schließt man an dieses Wechselspannungsnetz Kondensatoren an, so wird der Asynchrongenerator
durch den von diesen Kondensatoren gelieferten Blindstrom erregt. Eine hohe Ausnutzung
des Generators erhält man durch mit der Belastung stufenweise veränderliche Kondensatoren
(T. Bödefeld, H. Sequenz: 1,Elektrische Maschinen", Springer Verlag Wien, 1962,
S. 278 bis 280).
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Es ist weiter bekannt, die Ausgangsspannung eines Asynchrongenerators
zu regeln. Dabei kann zur lastabhängigen Steuerung des zur Erregung erforderlichen
kapazitiven Blindstroms vorgesehen sein, daß in Reihe mit jedem der am Wechselspannungsnetz
befindlichen Kondensatoren die Gegenparalleischaltung eines ungesteuerten mit einem
gesteuerten Ventil angeordnet ist. Die gesteuerten Ventile werden dabei bedarfsweise
zu- und abgeschaltet (deutsche Auslegeschrift 1 563 366).
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Die bisher bekannten Schaltungsanordnungen.zur Erregung eines
Asynchrongenerators
benötigen pro Phase der Ausgangsspannung mindestens ein Schaltglied, um den kapazitiven
Blindstrom zu verändern. Eine feinstufige Veränderung des Blindstroms ist nur mit
großem Steueraufwand oder nur mit einer Vielzahl von Schaltelementen möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Schaltungsanordnung
mit geringem Aufwand so auszugestalten, daß sich ein lastunabhängige und feinstufige
Regelung der Ausgangsspannung des Asynchrongenerators ergibt.
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Diese Aufgabewird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im aufgelösten
Sternpunkt der Ständerwicklung des Asynchrongenerators ein Gleichrichter angeordnet
ist, dem die Parallelschaltung eines Kondensators mit einem steuerbaren Ventil nachgeschaltet
ist, das in Durchlaßrichtung des Gleichrichters gepolt und von einem Spannungsvergleichsglied,
dem einerseits der Istwert der Ausgangsspannung des Asynchrongenerators und andererseits
ein Sollwert vorgegeben sind, in Abhängigkeit von der Differenz zwischen Sollwert
und Istwert der Ausgangssparinung derart gesteuert ist, daß der Mittelwert der Ausgangsspannung
dem Sollwert nachgeführt wird.
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Grundgedanke der Erfindung ist es, nicht mit einem geschlossenen Sternpunkt
der Ständerwicklung zu arbeiten, sondern einen aufgelösten Sternpunkt zu verwenden,
den in diesem aufgelösten Sternpunkt fließenden Strom als Stellgröße in einem Regelkreis
für die Ausgangsspannung des Asynchrongenerators zu benutzen und dabei so zu beeinflussen,
daß die Ausgangsspannung dem vorgegebenen Sollwert nachgeführt wird.
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Der Vorteil der Erfindung wird aarin gesehen, daß sich die Ausgangsspannung
feinstufig oder sogar kontinuierlich regeln läßt, und daß man dabei mit einem einzigen
steuerbaren Ventil als~Leistungsstellglied im Spannungsregelkreis auskommt. Auf
diese
Weise ergibt sich ein besonders niedriger Aufwand. Weiterhin sind, da nur ein einziges
steuerbares Ventil eingesetzt wird, die elektrischen Verluste im Betrieb der Schaltungsanordnung
gering.
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Als steuerbares Ventil kann die Reihenschaltung eines ungesteuerten
Ventils mit der Emitter-Kollektor-Strecke eines Schalttransistors vorgesehen sein.
Als steuerbares Ventil kann aber auch ein Gleichstromsteller (Chopper), der z. B.
nach der deutschen Patentschrift 1 242 289 aufgebaut und mit Thyristoren ausgerüstet
ist, verwendet werden. Zweckmäßig ist es, wenn in Reihe mit dem steuerbaren Ventil
eine Drosselspule angeordnet ist, deren Induktivität kleiner ist als die Streuinduktivität
des Asynchrongenerators. Diese Drosselspule begrenzt beim Einschalten des steuerbaren
Ventils den Stromanstieg in diesem Ventil. Weiterhin sollte dann auch ein Freilaufventil
vorhetnuen sein, das in der stromlosen Pause des steuerbaren Ventils den Strom der
Drosselspule übernimmt.
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Als Gleichrichter wird man vorteilhafterweise einen solchen mit ungesteuerten
Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung am Sternpunkt der Ständerwicklung anordnen.
Als Spannungsvergleichsglied läßt sich ein Zweipunktregler oder insbesondere ein
Grenzwertmelder mit Pl-Rückführung verwenden.
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Den Istwert der Ausgangsspannung kann man als Mittelwert oder bevorzugt
in Form einer Summengleichspannung erfassen. Das läßt sich mit einem Spannungsmeßglied
erreichen, das aus einem weiteren Gleichrichter mit ungesteuerten Ventilen in Drehstrom-Brückenschaltung
besteht, dem ein Spannungsteiler nachgeschaltet ist. Die am Spannungsteiler abgegriffene
Summenspannung kann noch durch ein Filter geglättet werden und am Spannungsvergleichsglied
mit dem vorgegebenen Sollwert, der dann ebenfalls in Form einer Gleichspannung vorliegt,
verglichen
werden. Einen geringeren Aufwand bedeutet es aber, wenn
auf das Filter verzichtet wird und die pulsierende Summenspannung mit aiesem vorgegebenen
Gleichspannungssollwert in einem Grenzwertmelder verglichen wird.
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Zwischen dem Spannungsmeßglied und dem steuerbaren Ventil wird man
im allgemeinen ein potentialtrennendes Bauglied anordnen.
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Insbesondere kann dabei die Anordnung so getroffen werden, daß zwischen
dem Spannungsmeßglied und dem Spannungsvergleichsglied ein optischer Koppler angeordnet
ist.
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Im statischen Fall, wenn keine Lastschwankungen zu erwarten sind,
kann der dem Spannungsvergleichsglied zugeführte Sollwert konstant sein und an einem
Sollwertgeber, z. B. einem Potentiometer, fest eingestellt sein. Bei Lastschwankungen
und beim Anlauf des Asynchrongenerators kann man jedoch so vorgehen, daß der dem
Spannungsvergleichsglied vorgegebene Sollwert lastabhängig geführt ist.
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Steuerverfahren verschiedener Art, nach denen sich das als Stellglied
im Spannungsregelkreis verwendete steuerbare Ventil ansteuern läßt, sind auf dem
Gebiet der Gleichstromsteller bekannt (vergl. z. B. R. Wagner: Elektronische Gleichstromsteller"
im VDS-Buch "li;nergieelektronik und geregelte elektrische Antriebe, 1966, Band
11, Seite 187 und 188). Dabei kann das steuerbare Ventil z. B. bei festem Impulsraster
vom Spannungsvergleichsglied impulsbreitengesteuert werden. Es ist jedoch auch möglich,
daß das steuerbare Ventil mit festem Impulsraster und gleichbleibender Impulsbreite,
jedoch mit veränderlichem mittleren Schaltzeitpunkt gegenüber der Phasenlage der
Ausgangsspannung gesteuert ist. Weiterhin kann das steuerbare Ventil mit freilaufender
Impulsfrequenz und gleichbleibender Impulsbreite gesteuert sein. Schließlich ist
auch eine Kombination dieser Steuerarten möglich.
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Sin Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand von
drei Figuren näher erläutert. B-s zeigen: Figur 1 eine Schaltungsanordnung zur Erregung
eines Asynchrongenerators mit einem Spannungsregelkreis, der den Strom im Sternpunkt
der Ständerwicklung mit Hilfe eines steuerbaren Ventils steuert, Figur 2 den Verlauf
der im Spannungsregelkreis verwendeten Summenspannung in Abhängigkeit von der Zeit,
und Figur 3 das aus der Summenspannung abgeleitete Impulsraster, mit dem das steuerbare
Ventil im Spannungsregelkreis angesteuert wird.
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Nach Figur 1 speist ein Asynchrongenerator 2, dessen dreiphasige Ständerwicklung
mit 3 bezeichnet ist, über seine Ausgangsleitungen 4, 5, 6 eine ohmsch-induktive
Last 7. Bei der Last 7 kann es sich insbesondere um eine elektrische Maschine handeln.
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Zwischen den Ausgangsleitungen 4, 5, 6 des Asynchrongenerators 2 sind
drei i. a. gleich bemessene Kondensatoren 8, 9, 10 angeordnet. Diese Kondensatoren
8, 9 und 10 geben den zur Brregung aes Asynchrongenerators 2 eriorderlichen Blindstrom
ab. Dieser Blindstrom ist, wie im folgenden näher erläutert wird, veränderlich.
Die Last 7 soll im vorliegenden Fall mit konstanter Ausgangsspannung des Asynchrongenerators
2 gespeist werden. Laständerungen sollen auf die Höhe der Ausgangsspannung keinen
Einfluß haben. Dazu ist ein Spannungsregelkreis vorgesehen, dessen Stellgröße letztlich
der veränderliche Blindstrom ist.
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Die Ständerwicklung 3 besitzt einen aufgelösten Sternpunkt 11.
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An diesen Sternpunkt 11 ist ein Gleichrichter 12 angeschlossen, der
aus sechs ungesteuerten Ventilen 13 in Drehstrom-Brückenschaltung besteht. Die negative
Ausgangsleitung ist mit einer Klemme M verbunden. Am Ausgang des Gleichrichters
12 liegt ein
Kondensator 14. Parallel dazu ist eine Serienschaltung
angeordnet, die aus einem steuerbaren Ventil 15 und einer Drosselspule 16 besteht.
Die Induktivität dieser Drosselspule 16 ist kleiner als die Streuinduktivität des
Asynchrongenerators 2.
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Das steuerbare Ventil 15 ist in Durchlaßrichtung des Gleichrichters
12 und damit in Flußrichtung des gleichgerichteten Statorstroms-oder Summenstroms
Is gepolt. Als steuerbares Ventil 15 ist die Reihenschaltung eines ungesteuerten
Ventils 17 mit der hmitter-Kollektor-Strecke eines Schalttransistors 18 vorgesehen.
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Die Basis des Schalttransistors 18 wird mit einem Impulsraster p beaufschlagt.
Dadurch wird der Schalttransistor 18 abwechselnd stromleitend (geschlossen) und
nicht stromleitend (geöffnet).
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Anstelle der Reihenschaltung 17, 18 kann auch ein anderes zünd- und
löschbares Ventil 15 verwendet werden. Parallel zur Drosselspule 16 und in Sperrichtung
zum steuerbaren Ventil 15 gepolt ist ein Freilaufventil 19 angeordnet.
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Das steuerbare Ventil 15 dient als Stellglied im bereits erwähnten
Sipnnungsregelkreis. Durch wiederholtes Öffnen und Schließen des steuerbaren Ventils
15 läßt sich der ziitliche Mittelwert des Summenstroms Is und damit der von aen
Kondensatoren 8, 9 und10 an den Asynchrongenerator 2 gelieferte kapazitive Blindstrom
beeinflussen. Beim Öffnen des Ventils 15 fließt jedesmal ein Verschiebungsstrom
über den Kondensator 14, der diesen aualäd-G.
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Es gibt verschiedene Steuermöglichkeiten für das steuerbare Ventil
15, um den Mittelwert des Siummenstroms Is zu beeinflussen: a) Das steuerbare Ventil
15 wird mit einem frequenzfesten Impulsraster p beaufschlagt, dessen Frequenz z.
B. das Sechsfache der Ausgangsfrequenz des Asynchrongenerators 2 beträgt und dessen
Impulse impulsbreitengesteuert sind.
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Hierbei kann der jeweilige mittlere Schaltzeitpunkt
gegenüber
dem Nulldurchgang der Ausgangs spannung des Asynchrongenerators konstanten Abstand
besitzen.
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b) Das steuerbare Ventil 15 wird mit einem frequenzfesten Impulsraster
p beaufschlagt, dessen Impulse alle dieselbe Impulsbreite, jedoch gegenüber den
Nulldurchgängen der Ausgangspannung des Asynchrongenerators veränderbare Schaltzeitpunkte
besitzen. Auf diese Weise wird eine Art "Anschnittsteuerung" erreicht.
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c) Das steuerbare Ventil 15 wird mit einem Impulsraster p beaufschlagt,
das eine freilaufende Frequenz und Impulse von stets derselben Impulsbreite besitzt.
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d) Das steuerbare Ventil 15'wird mit einem Impulsraster p beaufschlagt,
das eine Kombination der unter den Punkten a) bis c) erwähnten Steuermöglichkeiten
darstellt.
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Zm vorliegenden Fall ist die Steuermöglichkeit nach Punkt a) auf besonders
einfache Weise realisiert. Das Impulsraster p wird über einen Verstärke 20 von einem
Spannungsvergleichsgliea 21 geliefert, welches in Form eines Operationsverstärkeres
als Grenzwertmelder ausgebildet ist, der einc; PI ckftihrung 22 in Horm eines RC-Gliedes
besitzt. Das Spannungsvergleichsglied 21 ist zur Impulsbreitensteuerung vorgesehen.
Ihm ist einerseits ein Signal, das ein Maß für den Istwert der Ausgangsspannung
des Asynchrongenerators 2 ist, und andererseits ein Signal, das ein Maß für den
Sollwert dieser Ausgangsspannung ist, vorgegeben. Als Signal für den Istwert der
Ausgangs spannung wird hier eine pulsierende Summenspannung U5 gewähl-t, und als
Signal für den Sollwerl aient ein est einstellbarer Summensollwert Us.
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Anstelle der pulsierenden Summenspannung U5 kann aber auch ein anderer
Istwert verwendet werden, z. B. der zeitliche Mittelwert. Der Verlauf der Summenspannung
Us und des Summensollwerts U" in Abhängigkeit von der Zeit t ist in Figur 2 5 dargtstellt.
T ist dabei die Periodendauer der Ausgangsspannung des Asynchrongenerators 2.
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Der Summensollwert Us wird über einen Vorwiderstand 23 von einem einstellbaren
Sollwertgeber 24 abgegeben. Als Soll.
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wertgeber 24 dient ein Potentiometer, das zwischen der positiven Klemme
P und der negativen Klemme N einer (nicht gezeigten) Gleichspannungsquelle liegt.
Die Gleichspannung zwischen den Klemmen P und N kann z. B. mittels eines Sperrschwingers
und eines nachgeschalteten Transformators aus der Spannung am Ausgang des Gleichrichters
12 gewonnen werden. Es ist aber auch möglich, sie mit einem (nicht gezeigten) Transformator
und nachgeschaltetem Gleichrichter aus der Spannung zwischen den Ausgangsleitungen
4, 5, 6 des Asynchrongenerators 2 zu gewinnen.
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Die Summenspannung U5 wird in einer Anordnung gebildet, die ein Spannungsmeßglied
25 zur Erfassung des Istwerts der Ausgangsspannung des Asynchrongenerators 2 umfaßt.
Dieses Spannungsmeßglied 25 ist zwischen den Ausgangsleitungen 4, 5, 6 angeordnet.
Es besteht hier aus einem weiteren Gleichrichter mit ungesteuerten Ventilen 26 in
Drehstrom-Brückenschaltung. Diesem Gleichrichter 25 ist ein ohmscher Spannungsteiler
mit den Teilerwiderständen 27, 28 nachgeschaltet. Dadurch ist eine phasenrichtige
Erfassung der Ausgangsspannung gewährleistet. Parallel zum Teilerwiderstand 28 kann
noch eine in Sperrichtung gepolte Schutzdiode 29 angeordnet sein.
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Die am Teilerwiderstand 28 abgegriffene Spannung ist eine pulsierende
Gleichspannung mit einem zeitlichen Verlauf gemäß Figur 2. Die Frequenz der überlagerten
Wechselspannung ist dabei das Sechsfache der Ausgangsfrequenz. Die pulsierende
Gleichspannung
wird im folgenden nicht gefiltert.
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Parallel zum Teilerwiderstand 28 liegt noch ein optischer Koppler
30, der zur Potentialtrennung vorgesehen ist. Auf seiner Ausgangsseite ist der optische
Koppler 30 an einen Verstärker 31 angeschlossen, der einen Transistor 32 enthält
und mit der Klemme M verbunden ist. Das Potential der Klemme M liegt zwischen demjenigen
der Klemmen P und N.
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Das Ausgangssignal des Verstärkers 31 wird über einen weiteren Vorwiderstand
33 als Summenspannung U5 an das Spannungsvergleichsglied 21 gegeben.
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Das Spannungsvergleichsglied 21 vergleicht die Summenspannung U5 mit
dem Summensollwert Us und bildet wegen der PI-Beschaltung 22 jeweils bei Spannungsdifferenz
Null, also bei Spannungsgleichheit, eine Schaltflanke des Impulsrasters p. Das so
gebildete Impulsraster p ist in Figur 3 gezeigt. Jedes Minimum im zeitlichen Verlauf
der Summenspannung U5 kennzeichnet einen Steuerimpuls und damit einen der mittleren
Schaltzeitpunkte t1, t2, ... des steuerbaren Ventils 15. Das Spannungsvergleichsglied
21 ist also so konstruiert, daß es jeweils solange, als U5 ( Us gilt, einen Steuerimpuls
abgibt. Diese Steuerimpulse, die in Figur 3 schraffiert eingezeichnet sind, sorgen
dafür, daß das steuerbare Ventil 15 während ihrer Dauer oder Impulsbreite ins t
geschlossen und damit stromführend wird. Pro Periode T ergeben sich sechs Steuerimpulse
der Dauert.
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Der Mittelwert des Summenstroms Is ist ein Maß für den Mittel-.
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wert der Ausgangsspannung des Asynchrongenerators 2. Wenn sich die
Erregung ändert, ändert sich auch der Mittelwert des Summenstroms Is und damit der
Mittelwert der Ausgangsspannung des Asynchrongenerators. Eine Veränderung der Höhe
der Ausgangsspannung und damit der Summenspannung Us bewirkt über das Spannungsvergleichsglied
21 eine Xnderung der Impulsbreite At.
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Dadurch wird die Einschaltdauar des Ventils 15 geändert, und zwar
in dem Sinne, daß die dadurch bedingte Anderung der mittleren Höhe des Summenstroms
Is eine Änderung der Ausgangsspannung bewirkt, die der erstgenannten Änderung entgegenwirkt.
Der Spannungsregelkreis sorgt also bei einer Verringerung der Erregung dafür, daß
durch Impulsbreitensteuerung des Ventils 15 der Mittelwert des Summenstroms Is solange
angehoben wird, bis die Ausgangsspannung des Asynchrongenerators 2 ihren vorgegebenen
Sollwert wieder erreicht hat und die ursprüngliche Erregung wieder vorhanden ist.
Eine Veränderung des Summenstroms Is bedeutet dabei eine Änderung der Ausgleichsströme
zwischen den Kondensatoren 8, 9, 10 und damit eine Änderung der an den Asynchrongenerator
2 gelieferten Blindleistung.
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Zur Wirkungsweise der in Figur 1 gezeigten Schaltungsanordnung ist
noch folgendes zu sagen: Im stromleitenden Zustand des Ventils 15 ist der Sternpunkt
11 geschlossen. Der Kondensator 14 ist vollständig entladen oder umgekehrt aufgeladen
wie eingezeichnet. Wird nun der Strom im Ventil 15 unterbrochen, fließt über den
Kondensator 14 ein Verschiebungsstrom, der diesen mit der eingezeichneten Polarität
auflädt. Mit steigender Spannung am Kondensator 14 beginnt der Summenstrom Is abzuklingen.
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Hierdurch wird der Läufer des Asynchrongenerators 2 entregt. Seine
Ausgangsspannung sinkt, Durch die potentialgetrennte Erfassung des Istwer-ts der
Ausgangsspannung wird das Unterschreiten des vorgegebenen Sollwerts festgestellt.
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Das Ventil 15 wird in diesem Augenblick wieder in den geschlossenen
(stromleitenden) Zustand gebracht.
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Durch die Drosselspule 16, die- zum Ventil 15 in Reihe geschaltet
ist, wird beim Schließen des Ventils 15 bewirkt, daß die Ladung des Kondensators
14 umschwingt und seine
Spannung durch den Umschwingvorgang umgepolt
wird. Da die Induktivität der Drosselspule 16 kleiner ist als die Streuinduktivität
des Asynchrongenerators 2, ist ein schneller Stromanstieg in der Statorwicklung
3 nicht möglich. Die umgepolte Kondensatorladung wird nun langsam über den Gleichrichter
12 in die Statorwicklung 3 eingeschleußt.
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Das ungesteuerte Ventil 17 verhindert dabei ein Rückschwingen auf
dem Wege über das Ventil 15. Anschließend beginnt der Summenstrom Is über das Ventil
15 zu fließen, bis ein erneutes Unterbrechen eingeleitet wird. Das Ventil 15 muß
dabei so bemessen sein, daß es dauernd den Summenstrom Is und periodisch den Stoßstrom
des Kondensators 14 eiihren kann.
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12 Patentansprüche 3 Figuren