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Die Erfindung betrifft einen Drehstromtransformator mit stetiger Einstellbarkeit seiner Ausgangswechselspannung mit mindestens einem mehrschenkeligen Magnetkern, auf dessen Schenkeln jeweils eine Primär- und eine Sekundärwicklung gemeinsam übereinander aufgebracht sind, und dessen Schenkel je eine Öffnung zur Aufnahme aus jeweils zwei Teilwicklungen zusammengesetzter Steuerwicklungen enthält, die, bezogen auf den sich um die Öffnung bildenden magnetischen Hilfskreis, gleichsinnig geschaltet und so durch Gleichstrom erregbar sind, dass die zugeordneten Teile des Magnetkerns stetig magnetisierbar sind.
In der FR-PS Nr. 1. 192. 463 ist bereits ein Regeltransformator beschrieben, bei dem die Steuerwicklungen auf dem gleichen Schenkel aufgebracht sind, auf dem sich auch die Primär- und Sekundärwicklung des Transformators befinden. Ein wesentlicher Nachteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass die Primär- und Sekundärwicklungen nebeneinander auf dem Kern angeordnet sind. Dadurch entstehen erhebliche Verluste durch Streuung, die sich vor allem bei Regeltransformatoren mit hohen Leistungen sehr stark im Wirkungsgrad bemerkbar machen. Für hohe Leistungen ist daher ein derartiger Transformator nicht brauchbar. Ausserdem handelt es sich bei dem dort beschriebenen Regeltransformator um einen Einphasentransformator.
In der DE-OS 2161599 wurde ebenfalls bereits ein Transformator mit stetiger Einstellbarkeit der Ausgangswechselspannung beschrieben. Die Einstellbarkeit erfolgt dort über Steuerwicklungen, die sich in Öffnungen des Joches eines mehrschenkeligen Magnetkerns befinden, wobei Primär- und Sekundärwicklung jeweils gemeinsam auf den einzelnen Schenkeln des Magnetkerns aufgebracht sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, die in dieser OS beschriebenen Transformatoren noch weiter zu verbessern.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird der eingangs angeführte Drehstromtransformator erfindungsgemäss derart ausgebildet, dass bei zwei als Magnetkreise ausgebildeten Magnetkernen mit je drei Schenkeln, bei deren drei Öffnungen die Steuerwicklungspaare angeordnet sind, darunter je die eine der Primärwicklungen und die eine der Sekundärwicklungen übereinander aufgebracht sind, dass je Phase die Primärund Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind, und dass die Sekundärwicklungen des einen aus den drei Schenkeln gebildeten Magnetkreises eine kleinere Windungszahl aufweisen als die Sekundärwicklungen des andern, aus den weiteren drei Schenkeln gebildeten Magnetkreises,
und dass die Primärwicklungen des einen Magnetkreises eine grössere Windungszahl als die Primärwicklungen des andern Magnetkreises oder eine gleich grosse Windungszahl wie die Primärwicklungen des andern Magnetkreises aufweisen.
Durch diese Massnahmen erhält man eine Einsparung von Kupfer und Eisen bei gleichzeitiger Erhöhung der regelbaren Ausgangsleistung und des Regelbereichs. Die Einsparung des Kupfers ergibt sich durch die günstigen Kühlbedingungen für die Regel- und Arbeitswicklungen durch eine gegenüber dem bekannten Transformator grössere Kühlfläche. Dadurch wird der Kupferverbrauch der Arbeitswicklungen um zirka 30% verringert.
Durch das Anbringen der Öffnungen für die Steuerwicklungen auf den Schenkeln wird ausserdem eine wesentlich wirkungsvollere Magnetisierung erreicht, so dass Abmessungen des Magnetkreises und damit die dafür erforderliche Eisenmenge um das Zwei- bis Zweieinhalbfache verkleinert werden können.
Das Wicklungssystem für diesen Transformator kann derart ausgebildet sein, dass bei dem Drehstromtransformator als Autotransformator das Drehstromnetz an die Wicklungsenden der Sekundärwicklungen des ersten Magnetkreises angeschlossen ist, die mit den Wicklungsenden der Primärwicklungen des ersten Magnetkreises verbunden sind, und dass an die Wicklungsanfänge der Sekundärwicklungen des ersten Magnetkreises die Wicklungsenden der Sekundärwicklungen des zweiten Magnetkreises angeschlossen sind, dass die Wicklungsanfänge dieser Sekundärwicklungen die Ausgangsklemmen der Sekundärseite bilden, dass die Wicklungsanfänge der Primärwicklungen des ersten Magnetkreises mit den Wicklungsanfängen der Primärwicklungen des zweiten Magnetkreises verbunden sind, und dass die Wicklungsenden der Primärwicklungen des zweiten Magnetkreises zu einem gemeinsamen Sternpunkt geschaltet sind,
wobei für beide Magnetkreise die Übersetzungsverhältnisse gleich gross sind.
Vorceilhafterweise kann der Transformator ausserdem als Autotransformator ausgestaltet sein, wobei die Wicklungsenden der Sekundärwicklungen des ersten Magnetkreises mit dem Drehstromnetz und die Wicklungsanfänge der Sekundärwicklung des ersten Magnetkreises mit den Wicklungsenden der Primärwicklung galvanisch verbunden sind, wobei an diesen gemeinsamen Verbindungspunkt die Wicklungsenden der Sekundärwicklung des zweiten Magnetkreises geschaltet sind, wobei die Wicklung-
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anfänge der Primärwicklungen des ersten Magnetkreises mit den Wicklungsanfängen der Primärwicklungen des zweiten Magnetkreises verbunden sind, und wobei die Wicklungsenden der Primärwicklungen des zweiten Magnetkreises zu einem gemeinsamen Sternpunkt geschaltet sind, wobei das Übersetzungsverhältnis des zweiten Magnetkreises bis zu 1,
8 mal grösser ist als das Übersetzungsverhältnis des ersten Magnetkreises.
Dadurch erhält man einen Autotransformator, der um zwei-bis zweieinhalbmal leichter ist als die bekannte Anordnung und der etwa 1,6 bis 2 mal weniger Kupfer enthält als entsprechende bekannte Regeltransformatoren.
Wenn lediglich die Eingangsspannungsschwankungen des Transformators ausgeregelt werden sollen, d. h. wenn der Transformator als Stabilisator verwendet werden kann, können die Windungszahlen der Steuerwicklungen des einen Magnetkreises um 10 bis 25% geringer sein als die Windungszahlen der Steuerwicklungen des andern Magnetkreises.
Durch die Asymmetrie der Amperewindungen der Primär- und Sekundärseite wird ein erheblicher Abfall einer induktiven Spannung verursacht, durch die eine Vergrösserung der Abmessung der Magnetkreise notwendig ist. Diesen Nachteil kann man vermeiden, wenn nach einem weiteren Erfindungsmerkmal in Reihe zu den ausgangsseitigen Sekundärwicklungen je ein Kondensator direkt oder über je einen eigenen einphasigen Transformator an die Ausgangsklemmen der Sekundärwicklungen geschaltet ist. Durch diese kapazitive Voll- oder Teilkompensation einer induktiven Last wird der Spannungsabfall durch die induktive Komponente des Laststromes vermieden.
Ein Optimum an Regelgenauigkeit erhält man dann, wenn pro Netzphase für die beiden Steuerwicklungen eine Steuerstufe mit zwei ausgangsseitigen Steuergliedern vorgesehen ist, deren Summe einen Konstantwert aufweist.
An Hand der Ausführungsbeispiele nach den Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Drehstromtransformator, bei dem die Primärwicklung im Dreieck und die Sekundärwicklung im Stern geschaltet ist, dem ein Gleichrichter nachgeschaltet ist, Fig. 2 zeigt eine Kompensationsschaltung für die Kompensation induktiver Spannungen bei Unsymmetrie der Wicklungen, Fig. 3 zeigt einen Autotransformator nach dem Prinzip von Fig. 1 und Fig. 4 zeigt einen weiteren Autotransformator mit einem besonderen Wickelschema.
Der Dreiphasen-Regeltransformator gemäss Fig. 1 besteht aus zwei Dreiphasen-Magnetkreisen --1 und 2--, Arbeits-Wicklungen --6 bis 9--, Steuerwicklungen --10, 11--, Kompensationswicklungen --16 und 17--, und einem Gleichrichter --20--. Der Magnetkreis kann auch einteilig sein, vorausgesetzt, dass das Joch --5-- gemeinsam ist. Die Magnetkreise --1 und 2-- bestehen aus je drei Magnetschenkeln --12 und 13-- und je zwei Jochen --5 und 22--. Je eine Öffnung --3, 4-- befindet sich im oberen Teil jedes einzelnen Schenkels der Magnetkerne, wobei die Öffnungen sich nicht über die gesamte Länge erstrecken.
Je zwei Primärwicklungen --6 und 7-- und je zwei Sekundärwicklungen --8 und 9-- für jede Phase bilden die Arbeitswicklungen. Die Primärwicklungen--6 und 7--und die Sekundärwicklungen --8 und 9-jeder Phase liegen in Serie.
Die Primärwicklung --6-- und die Sekundärwicklung --8-- befinden sich unmittelbar übereinander jeweils auf jedem Schenkel des Kerns für jede Phase, und die Primärwicklung --7-- und die Sekundärwicklung --9-- unmittelbar übereinander auf den Schenkeln --13-- des
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--2--.höher als die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung --8--. Wenn der Regeltransformator unter konstanter Primärspannung arbeitet und nur die Sekundärspannung sich ändert, können die Windungszahlen bei den Primärwicklungen --6 und 7-- gleich sein.
Wenn der Transformator als Stabilisator arbeitet, d. h. es werden nur Schwankungen der Primärspannung ausgeregelt, dann können die Primärwicklungen --6-- um 10 bis 30% geringer sein als die Primärwicklungen --7--, was vom Regelbereich abhängt. Es bestehen teilweise nicht kompensierte Amperewindungen hauptsächlich bei den Primär- wicklungen --6-- und Sekundärwicklungen --7-- auf dem Magnetkreis --1--. Die Arbeitswicklungen werden auf dem Kern des Magnetkreises unmittelbar unterhalb der Steuerwicklungen --10 und 11-aufgebracht. Die Steuerwicklungen bestehen aus sechs Paar Regelwindungen --10 und 11--, untergebracht in den Öffnungen --3 und 4--.
Die Windungszahl der Regelwicklungen --10-- kann, wenn der Transformator als Stabilisator arbeitet, um 10 bis 25% grösser sein als die Anzahl der Windungen der Regelwicklungen --11--.
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Jedes Paar der Steuerwicklungen --10 bzw. 11--besteht aus zwei Wicklungshälften, die im Windungssinn gegeneinander geschaltet sind, so dass sich die Grundwelle des induzierten EMK aufhebt.
Da der magnetische Widerstand des Kerns innerhalb der beiden Regelwicklungs-Hälften nicht ganz gleich ist, bedingt durch verschiedene Eisenweglängen, ist die induzierte EMK in beiden Regelwicklungshälften ebenfalls nicht ganz gleich. Dies kann man durch 1 bis 2% unterschiedliche Windungszahlen auf den Magnetisierungswicklungen ausgleichen. Zusätzlich kann man über die beiden Wicklungshälften Kompensationswicklungen--16 und 17--, die in sich geschlossen sind, anbringen.
Da alle Amperewindungen der Primär-und Sekundärwicklungen auf den Magnetkreisen --1, 2-- während der Transformatorbelastung nicht kompensiert sind, treten bei der Belastung des Transformators höhere Harmonische und ein zusätzlicher induktiver Spannungsabfall auf. Zur Beseitigung der Harmonischen in der Dreiphasenschaltung genügt es, wenn die Primär-oder Sekundärwicklung, die gleichzeitig auch ein Filter für die dritte Oberwelle ist, in Dreieck geschaltet ist. Das Auftreten eines grossen induktiven Spannungsabfalls, besonders bei induktiver Belastung, hat bisher grosse Schwierigkeiten erzeugt. Um diese zu verringern, mussten die Magnetkreise vergrössert werden, was zur Folge hatte, dass die Abmessungen vergrössert sowie die Mehrkosten erhöht wurden, und dadurch wurde die Anwendung begrenzt.
Durch eine Schaltung nach Fig. 2 wird eine Voll-oder Teilkompensation dieses zusätzlichen, induktiven Spannungsabfalls durch die Einführung kapazitiver Komponenten, die gleich oder kleiner in bezug auf den absoluten Wert der induktiven Komponente sind, erreicht. Man kann dies entweder über einen kleinen Einphasen-Hilfstransformator, dessen Primärwicklung --18-- in Reihe mit den Ausgangsklemmen jeder Transformatorphase --r, s, t-- geschaltet wird und einen Kondensator-19-, der an die Sekundärwicklung des Hilfstransformators angeschlossen ist, erreichen oder direkt durch Serienschaltung des Kondensators --19'-- unmittelbar an die Enden der Sekundärwicklungen an den Ausgangsklemmen --r, s, t--.
Das erste indirekte Steuersystem ist für die Transformatoren der Klein- und Mittelleistungen wirtschaftlicher und das direkte für die Transformatoren mit Hochleistung und hohem Regelbereich.
Dieses Kompensationssystem hat auf einer wirtschaftlichen Basis das Problem des zusätzlichen induktiven Spannungsabfalls bei diesen Transformatoren und ermöglicht die Ausarbeitungen kompakter Konstruktionen, die um 2 bis 2, 5 Male leichter und billiger sind als der eingangs beschriebene bekannte Regeltransformator.
Dadurch gibt es keine Begrenzung in der wirtschaftlichen Fertigung solcher Regeltransformatoren, auch für grosse Regelbereiche sowie höhere Leistungen bei Drehstromausführung, sowohl auf zwei als auch auf einem gemeinsamen Magnetisierungskern.
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die Sekundärspannung an den Klemmen-r, s, t-ihren maximalen Wert und umgekehrt, wenn der Steuerstrom in den Steuerwicklungen --11-- seinen maximalen Wert und in den Wicklungen-10minimalen Wert nahezu 0 A hat, dann ist die Sekundärspannung minimal. Da die Steuerströme in den Steuerwicklungen-10 und 11-- von 0 bis zu ihrem Höchstwert stetig und gegensinnig verändert werden können, wird eine kontinuierliche Spannungsregelung erreicht.
Die optimalen Ergebnisse werden erreicht, wenn die Summe der Regelströme in den Regelwicklungen-10 und 11-- jeder Phase konstant bleibt, jedoch nicht für den gesamten Regelbereich, sondern in jedem Intervall sich ein anderer Summenwert ergibt. Diese Nichtlinearität und das gegenseitige Verhältnis der Steuerströme sind von der Grösse des Regelbereichs und den magnetischen Eigenschaften des Magnetkreises abhängig. Deswegen ist es erforderlich, das optimale Verhältnis der Steuerströme der Grösse und Art der Regeltransformatoren anzupassen, und es nicht konstant in allen Fällen und für den gesamten Regelbereich zu halten. Solche programmierte Anordnung der Steuerströme kann mit Hilfe eines programmierten Regelverstärkers mit Halbleiter erreicht werden.
Es ist nicht erforderlich, dass die Windungszahl der Regelwicklungspaare --10 und 11-- gleich ist, wenn der Transformator als Stabilisator arbeitet. Es genügt, wenn die Wicklungen --11-- um 10 bis 25% geringere Windungszahl haben. Dies folgt aus den Arbeitsbedingungen des Regeltransformators, wenn er die Funktion des Stabilisators hat. Der Stabilisator soll eine konstante Sekundärspannung für zwei extreme Arbeitspunkte, u. zw. bei maximaler Spannung der Primärseite im Leerlauf und bei minimaler Spannung und bei Steuerbelastung aufrechterhalten. Der erste Fall entspricht der Bedingung, wenn der
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Steuerstrom im Wicklungspaar --11-- einen maximalen und im Paar --10-- den Null-Wert hat.
Dies aus dem Grunde, da im Leerlauf in der Steuerwicklung --10-- ein geringerer Wert des Regelstroms bis zu 30% erforderlich ist als bei der Steuerwicklung --11-- bei Belastung. Im zweiten Fall für nominale Belastung und bei minimaler Spannung ist der höchste Wert des Regelstroms in der Steuerwicklung --10-erforderlich, in der Steuerwicklung --11-- soll der Wert 0 bis zu 30% höher sein als bei Leerlauf. Wenn die gleichen absoluten Stromwerte in den Wicklungen --10 und 11-- angenommen werden, reicht es aus, wenn die Steuerwicklungen --11-- bis zu 25% geringere Windungszahlen haben als die Steuerwicklungen - -10--.
Wenn ein Gleichrichter --20-- an die Ausgangsenden --r, s, t-des Regeltransformators angeschlossen wird und eine Induktivität zum Ausgleich des Gleichstroms --21--, so erhält man einen Dreiphasen-Regelgleichrichter. Da der Transformator mit stetiger Regelung sehr schnell ist, ohne Oberwellen und mit einem hohen Leistungsfaktor arbeitet, wird auf diese Weise ein neues System der Regelgleichrichter ohne Thyristoren oder Triacs erhalten.
Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung für einen Autotransformator. Für den Magnetkreis wird der gleiche Aufbau wie im vorgehenden Ausführungsbeispiel angewendet. Er besteht wieder aus zwei getrennten Dreiphasenkreisen mit je drei Öffnungen-3 und 4-- auf jedem Schenkel. Der Magnetkreis kann auch einteilig sein, wobei das Joch --5-- gemeinsam ist. Die Arbeitswicklungen bestehen wieder aus je zwei Primärwicklungen --6, 7-- und je zwei Sekundärwicklungen --8, 9-- für jede Phase. Die Primärwicklung - kann um 10 bis 25% geringere Windungszahl als die Primärwicklung --6-- haben, wenn der Autotransformator als Stabilisator verwendet wird.
Die Arbeitswicklungen sind unmittelbar senkrecht unter den Schenkelöffnungen --3 und 4-angeordnet. Bei der Dreiphasenschaltung Stern-Stern ist es im Falle einer Asymmetrie der Belastung und
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auf dem Magnetkern --12-- und dem Magnetkern --13-- und der gleichen Windungszahl. Die Teilwicklungen aller Schenkel sind in Dreieck geschaltet. Auf diese Weise dienen sie als Filter für die dritte Grundwelle.
Die elektrische Verbindung pro Phase zwischen den Wicklungen ist wie folgt möglich :
Der Primärstrom wird zum gemeinsamen Anschlusspunkt der Wicklungen --6 und 8-- zugeführt und durch die Steuerwicklungen --6 und 7-- fliesst die Differenz des Primär- und des Sekundärstromes. Die Primärwicklungen --7-- sind an den Sternpunkt geführt. Der Sekundärstrom fliesst durch die Sekundärwicklungen --8 und 9-- und, da sie gleichsinnig geschaltet sind, fliesst die Differenz des Netz- und des Sekundärstromes durch die Primärwicklungen. Von der Spannungsseite aus gesehen ist der Sinn der Teilspannung der Sekundärwicklungen --8-- der Teilspannung der Primärwicklungen --6-- entgegen- gesetzt, so dass diese entgegenwirken.
Umgekehrt werden die Spannung der Primärwicklungen --7-- und die Spannungen der Sekundärwicklungen --9-- addiert.
Die Anordnung der elektrischen Schaltung ermöglicht eine maximale Ersparnis an Kupfer für die Arbeitswicklungen, weil durch die Primärwicklungen --6 und 7-- die Stromdifferenz fliesst und weil sich die Spannungen in den Sekundärwicklungen --7 und 9-- addieren und bei der Erzeugung der Sekundärspannung nimmt unmittelbar auch die Primärwicklung --7-- teil. Die Steuerwicklungen --10 und 11-- sowie die Kompensationswicklungen --16 und 17-- sind wie im vorgehenden Fall angeordnet und geschaltet und die Steuerwindungen sind um 10 bis 25% geringer als die Steuerwicklungen --10-- für die Stabilisatorfunktion.
Für gewisse Übertragungsverhältnisse der Autotransformatoren kann das Übertragungsverhältnis zwischen den Sekundärwicklungen --8-- und den Primärwicklungen --6-- und zwischen den Sekundärwicklungen --9-- und den Primärwicklungen --7-- gleich sein, wodurch eine vollkommene Symmetrie der Amperewindungen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung des Autotransformators erreicht wird.
Durch diese Symmetrie der Wicklungen entsteht kein zusätzlicher induktiver Spannungsabfall und demzufolge ist eine zusätzliche Reihenkompensation nicht erforderlich, so dass sehr kompakte Konstruktionen der Dreiphasen-Regeltransformatoren auf einem oder zwei getrennten Magnetkreisen für alle Regelbereiche und einer Leistung bis 50000 KVA erreicht werden können.
Die Spannungsregulierung funktioniert folgendermassen : Wenn der Steuerstrom in den Steuerwicklungen --10-- seinen maximalen und in den Steuerwicklungen --11-- seinen minimalen Wert nahezu 0 A
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erreicht, dann ist der Magnetkreis --1-- des Autotransformators gesättigt und es werden in den Arbeitswicklungen --6 und 8-- minimale elektromotorische Kräfte induziert, während sie in den Wicklungen
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nicht gesättigt ist. In diesem Falle erhält man den Höchstwert der Sekundärspannung an den Klemmen --r, s, t--. Umgekehrt, wenn der Steuerstrom in den Steuerwicklungen --10-- minimal ist, nahezu 0 A und in den Steuerwicklungen --11-- den maximalen Wert hat, sinkt die Sekundärspannung des Autotransformators auf ein Minimum.
Die stetige nichtlineare Veränderung der Steuerströme mit entgegengesetzter Richtung in den Steuerwicklungen --10 und 11-- ist so, dass die Summe der Ströme in den einzelnen Regelwicklungen des Regelbereiches eine Konstante ist und dass diese Konstante für die einzelnen Regelbereiche verändert wird, wobei ein Optimum an kontinuierlicher Spannungsregelung erzielt wird.
Für symmetrische Belastung und symmetrische Primärspannung ist eine gemeinsame Steuerung aller Phasen des Autotransformators möglich. Bei symmetrischer Belastung sind unabhängige Einzelregler für jede Phase erforderlich.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung des Dreiphasen-Regelautotransformators. Der Magnetkreis ist wie im vorgehenden Fall fast identisch. Der einzige Unterschied liegt nur in der elektrischen Schaltung der
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--8--wicklungen --9-- sind die Ausgangsklemmen des Autotransformators --r, s, t--. Die Anfänge der Primärwicklungen --6-- sind an die Anfänge der Primärwicklungen --7-- angeschlossen und die Enden der Primärwicklungen --7-- bilden den gemeinsamen Sternpunkt des Transformators. Durch die Sekundärwicklung fliesst der Sekundärstrom des Regelautotransformators. Die Teilspannungen in den Wicklungen --6 und 8-- sowie in den Wicklungen --7 und 9-- werden summiert. Hiebei gilt die Symmetriebedingung für
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verhältnis des ersten magnetischen Kreises ist.
Im Eingangsspannungsbereich und Belastungsbereich vom Leerlauf bis zur Nennbelastung für ohmsche, induktive und kapazitive Belastung läuft der Regelprozess kontinuierlich, statisch und praktisch mit klirrfreier Ausgangsspannung (Klirrfaktor > 1, 5%) bei gutem hohen Leistungsfaktor, hohem Wirkungsgrad und kleiner Regelzeit ab.
Auf diese Weise sind technische Ausgestaltungen statischer Regel- und Autotransformatoren mit geregelter Gleichspannung entstanden, wobei sich bei experimentellen Untersuchungen geringe Regelzeiten ergeben haben.
Wenn man die einzelnen Phasen der Sekundärseite des Drehstromtransformators mit Kapazitäten belastet, so lässt sich die Anordnung in vorteilhafter Weise auch als Phasenschieber verwenden.
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