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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Wechselstroms, sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Stand der Technik
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In vielen Fällen kann zur Bereitstellung einer Wechselspannung bzw. eines Wechselstroms bzw. zur Umwandlung von Wechselspannung und/oder Wechselstrom oftmals eine Kombination von mehreren Transformatoren verwendet werden, welche in einem elektrischen Schaltkreis parallel geschaltet sind. Dies kann beispielsweise zur Speisung eines Schweißpunktes mit einem Schweißstrom über mehrere parallele Stränge dienen, wobei jeder Strang beispielsweise einen eigenen Transformator aufweisen kann.
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Dabei kann es unter Umständen zu einem eingeschränkten Betrieb oder gar zum Ausfall eines Strangs der parallelen Stränge kommen, wenn etwa in dem entsprechenden Strang Schäden oder Störungen auftreten. Insbesondere in einem Fall, in dem die parallelen Stränge bzw. Transformatoren durch einen Umrichter mit Wechselspannung und Wechselstrom versorgt werden, kann dies dazu führen, dass die verbleibenden der parallelen Stränge, welche nicht direkt durch den Schaden oder die Störung betroffen sind, ohne Unterstützung durch den von der Störung oder dem Schaden betroffenen Strang den Betrieb fortführen. Dieser Ausfall eines der parallelen Stränge kann dabei zu einer deutlichen Erhöhung der Last in den verbleibenden Strängen führen und im schlimmsten Fall den Ausfall weiterer Stränge der parallelen Stränge zur Folge haben.
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Es ist daher wünschenswert, den Ausfall oder die eingeschränkte Funktionalität in einem (oder mehreren) der parallelen Stränge frühzeitig und zuverlässig zu erkennen, um Maßnahmen zur weiteren Schadensvermeidung einleiten zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Eingangswechselstroms mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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In einem Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Umwandlung eines elektrischen Eingangswechselstroms, umfassend einen ersten Transformator, welcher dazu eingerichtet ist, einen ersten Teil des Eingangswechselstroms in einen ersten Ausgangswechselstrom zu wandeln, einen zweiten Transformator, welcher dazu eingerichtet ist, einen zweiten Teil des Eingangswechselstroms in einen zweiten Ausgangswechselstrom zu wandeln, wobei der zweite Transformator mit dem ersten Transformator eingangsseitig parallel geschaltet ist, einen Komparator, welcher dazu eingerichtet ist, eine den ersten Ausgangswechselstrom und eine den zweiten Ausgangswechselstrom charakterisierende Größe zu vergleichen und darauf basierend einen Vergleichswert zu ermitteln, und eine Signaleinheit, welche dazu eingerichtet ist, basierend auf dem Vergleichswert ein Signal auszugeben. Vorzugsweise sind die Transformatoren auch ausgangsseitig parallel geschaltet, so dass sich die Ausgangswechselströme addieren.
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Der erste Teil und der zweite Teil des Eingangswechselstroms können dabei beispielsweise durch eine einzige Spannungsquelle bzw. Stromquelle bereitgestellt werden, wobei sich beispielsweise der Eingangswechselstrom auf den ersten Transformator und den parallel geschalteten zweiten Transformator aufteilt. Insbesondere kann der Eingangswechselstrom mittels eines Umrichters bereitgestellt werden, welcher wiederum über eine externe Strom- oder Spannungsquelle verfügen kann.
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Beispielsweise können auch mehr als zwei parallele Stränge ausgebildet sein, welche jeweils einen oder mehrere Transformatoren aufweisen, so dass in manchen Ausführungsformen mehr als zwei Transformatoren eingangs- und insbesondere auch ausgangsseitig parallel geschaltet sind.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Eingangswechselstroms, wobei ein erster Teil des Eingangswechselstroms mittels eines ersten Transformators in einen ersten Ausgangswechselstrom und ein zweiter Teil des Eingangswechselstroms mittels eines zweiten Transformators in einen zweiten Teil des Eingangswechselstroms gewandelt wird, wobei der zweite Transformator mit dem ersten Transformator eingangs- und insbesondere auch ausgangsseitig parallel geschaltet ist, wobei ein den ersten Ausgangswechselstrom und eine den zweiten Ausgangswechselstrom; charakterisierende Größe verglichen wird, wobei ein Vergleichswert basierend auf dem Vergleichen der den ersten Ausgangswechselstrom und der den zweiten Ausgangswechselstrom charakterisierenden Größe ermittelt wird, und wobei ein Signal basierend auf dem ermittelten Vergleichswert ausgegeben wird, sofern der ermittelte Vergleichswert in einem vorbestimmten Bereich liegt.
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Beispielsweise kann der vorbestimmte Bereich ein Wertebereich sein, welcher darauf hindeutet, dass eine asymmetrische Last oder gar ein Ausfall eines oder mehrerer der parallelen Stränge vorliegt, sofern der Vergleichswert in dem vorbestimmten Bereich liegt.
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Die Erfindung bietet dabei den technischen Vorteil, dass die eingangs- und insbesondere auch ausgangsseitig parallel geschalteten Transformatoren in ihrem Betrieb und ihrer Funktion überwacht werden können. Dabei kann insbesondere die elektrische Schaltung bzw. Verdrahtung, in welche die Transformatoren eingebunden sind, während laufendem Betrieb überwacht werden, d.h. während Transformatoren mit dem Eingangswechselstrom beaufschlagt werden und diesen entsprechend in den jeweiligen Ausgangswechselstrom wandeln. Dies bietet den besonderen technischen Vorteil, dass während des laufenden Betriebs beispielsweise eine eingeschränkte Funktion oder gar der Komplettausfall eines oder mehrerer Transformatoren bzw. der entsprechenden parallelen Stränge festgestellt werden kann und somit Maßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden können, um die Entstehung von weiteren Schäden in der Vorrichtung zu vermeiden.
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Im Detail bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Stromverteilung in den parallelen Strängen bzw. parallel geschalteten Transformatoren zu überwachen und dadurch das Auftreten einer asymmetrischen Stromverteilung zwischen den parallelen Strängen festzustellen. Insbesondere kann durch das Vergleichen der die Ausgangswechselströme charakterisierenden Größen der Transformatoren und der anschließenden Ermittlung eines Vergleichswertes ein Parameter bereitgestellt werden, anhand dessen eine asymmetrische Stromverteilung erkennbar ist. Sofern der Vergleichswert auf eine asymmetrische Stromverteilung hinweist, kann beispielsweise die Signaleinheit ein entsprechendes Warnsignal ausgeben, welches die asymmetrische Last oder einen Strangausfall anzeigt. Auf Basis des Warnsignals, kann beispielsweise eine externe Steuereinheit Gegenmaßnahmen einleiten, um die asymmetrische Stromverteilung zu beheben oder die Vorrichtung abzuschalten.
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Beispielsweise kann somit bei Vorliegen einer asymmetrischen Stromverteilung bzw. einer asymmetrischen Last eine symmetrische Stromverteilung durch eine gezielte Ansteuerung des Umrichters, der den Eingangswechselstrom bereitstellt, erzielt werden. Dies kann beispielsweise in ähnlicher Weise geschehen, wie bei der Steuerung einer Gantry-Achse, bei der bei zwei separate Vorschubmotoren eine gemeinsame Antriebsachse bewegen. Die zwei separaten Vorschubmotoren müssen so synchron wie möglich betrieben werden, wofür spezielle Steuerungsfunktionen bekannt sind.
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Vorzugsweise dient als die den Ausgangswechselstrom charakterisierende Größe der Ausgangswechselstrom selbst oder ein gleichgerichteter Ausgangswechselstrom oder eine aufgrund des Ausgangswechselstrom oder des gleichgerichteten Ausgangswechselstroms an einem Messwiderstand abfallende Spannung. Diese Größen können technisch sehr einfach gemessen werden. Beispielsweise kann ein Strom mittels eines Stromwandlers (Spule) an ein Strommessgerät geführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bereitstellung eines Schweißstroms, insbesondere für Widerstandsschweißen, weiter insbesondere für Mittelfrequenz-Widerstandsschweißen, ausgebildet. Aufgrund der Parallelschaltung der Mehrzahl von Transformatoren können die Stromwerte in den einzelnen Strängen und/oder die einzelnen Ausgangswechselströme über einen Komparator bzw. eine Komparatorschaltung verglichen werden. Dies ist insbesondere bei den sehr großen Strömen (mehrere 10 oder 100 kA) beim Widerstandsschweißen besonders vorteilhaft, da hier der Ausfall eines Transformators sehr schnell zu einer Überlastung und damit zum Ausfall weiterer Transformatoren führen kann.
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Die Erfindung erlaubt somit die Überwachung der parallelen Stränge mittels eines „Strangmonitorings“ in Echtzeit und ermöglicht auf diese Weise eine schnelle und zuverlässige Überprüfung der elektrischen Schaltung bzw. Verdrahtungskette von der Wechselstromquelle, wie etwa dem Umrichter, bis einschließlich zu den Transformatoren. Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass mit der Erfindung bereits geringe Änderungen in den Widerständen in den parallelen Strängen zuverlässig detektiert werden können. Somit kann auch ein Umrichter, welcher beispielsweise die Transformatoren mit Eingangswechselstrom beaufschlagt, gegen Überlast abgesichert werden.
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Dadurch bietet die Erfindung weiter den Vorteil einer schnelleren Inbetriebnahme, einer schnelleren und zuverlässigeren Strangverdrahtungsprüfung, einer Erkennung von Schieflasten während des Betriebs, eine Erkennung von Komponentenausfällen in einem oder mehreren der parallelen Stränge bzw. Transformatoren und dadurch auch eine verbesserte Bedienbarkeit. Insbesondere verringert die Erfindung den Wartungsaufwand und führt somit zu einer kundenfreundlicheren, robusteren und kosteneffizienteren Vorrichtung.
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Vorzugsweise ist der Komparator dazu eingerichtet, eine Amplitude der den ersten Ausgangswechselstrom charakterisierenden Größe mit einer Amplitude der den zweiten Ausgangswechselstrom charakterisierenden Größe zu vergleichen und/oder eine Leistung der den ersten Ausgangswechselstrom charakterisierenden Größe mit einer Leistung der den zweiten Ausgangswechselstrom charakterisierenden Größe zu vergleichen. Sofern in einer Ausführungsform mehr als zwei parallelgeschaltete Transformatoren ausgebildet sind, können beispielsweise auch mehr als zwei und/oder alle Ausgangswechselströme untereinander oder mit einem Referenzwert verglichen werden.
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Vorzugsweise sind der erste Transformator und/oder der zweite Transformator als Mittelfrequenztransformator ausgebildet.
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Vorzugsweise wird der Eingangswechselstrom mittels eines Umrichters bereitgestellt. Besonders bevorzugt weisen der erste Teil des Eingangswechselstroms und der zweite Teil des Eingangswechselstroms die gleiche Amplitude und/oder Frequenz und/oder Phase auf.
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Vorzugsweise erfolgt dabei das Ausgeben des Signals dann, wenn der Vergleichswert eine Abweichung der den ersten Ausgangswechselstrom charakterisierenden Größe von der den zweiten Ausgangswechselstrom charakterisierenden Größe um mehr als 80%, bevorzugt mehr als 50%, besonders bevorzugt mehr als 25%, noch mehr bevorzugt mehr als 10%, am meisten bevorzugt mehr als 5% indiziert. Beispielsweise können auch Abweichungen der jeweiligen Ausgangswechselströme von einem anderweitig bereitgestellten Referenzwert bestimmt werden.
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Vorzugsweise zeigt das Ausgeben des Signals ein asymmetrisches Lastverhalten zwischen dem ersten Transformator und dem zweiten Transformator an. Besonders bevorzugt ist das Signal dazu eingerichtet, eine Anpassung des ersten Teils des Eingangswechselstroms und/oder des zweiten Teils des Eingangswechselstroms zur Verringerung des asymmetrischen Lastverhaltens zu bewirken. Beispielsweise kann dazu das Signal an eine Steuereinheit, beispielsweise eine externe Steuereinheit, übermittelt werden, welche sodann der asymmetrischen Lastverteilung entgegenzuwirken vermag.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Beispielsweise kann die Recheneinheit dazu eingerichtet sein, eine Vorrichtung zur Umwandlung und/oder Bereitstellung von elektrischem Strom, wie etwa eines Schweißstroms, zu steuern.
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Auch die Implementierung des Verfahrens in Form eines Computerprogramms ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der findungsgemäßen Vorrichtung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Schaltbildes einer ersten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Mittels einer Wechselstromquelle bzw. Wechselspannungsquelle 2 wird ein Eingangswechselstrom bereitgestellt. Die sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig parallel geschalteten Transformatoren 4a und 4b werden mit dem bereitgestellten Eingangswechselstrom beaufschlagt und wandeln diesen in einen Ausgangswechselstrom um. Der erste Transformator 4a wandelt dabei einen ersten Teil des Eingangswechselstroms in einen ersten Ausgangswechselstrom um, wobei die Stromamplitude des ersten Ausgangswechselstroms unterschiedlich von der Amplitude des Eingangswechselstroms ist.
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In ähnlicher Weise wandelt der zweite Transformator 4b dabei einen zweiten Teil des Eingangswechselstroms in einen zweiten Ausgangswechselstrom um, wobei die Stromamplitude des zweiten Ausgangswechselstroms unterschiedlich von der Amplitude des Eingangswechselstroms ist. Vorzugsweise sind die Transformatoren 4a und 4b identisch ausgebildet, so dass auch der erste und der zweite Ausgangswechselstrom identisch hinsichtlich ihrer Amplituden sind.
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Nach der Stromwandlung durch die beiden Transformatoren 4a und 4b werden die parallelen Ausgänge wieder zusammengeführt, so dass der gesamte Ausgangswechselstrom, welcher von beiden Transformatoren 4a und 4b gewandelt wurde, an einem gemeinsamen Wechselstromausgang 8 bereitsteht und genutzt werden kann, beispielsweise als Schweißstrom.
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Darüber hinaus weist die Vorrichtung einen Komparator 6 auf, welcher hier den ersten Ausgangswechselstrom des ersten Transformators 4a mit dem zweiten Ausgangswechselstrom des zweiten Transformators 4b als die den Ausgangswechselstrom charakterisierende Größen vergleicht. Sofern der erste Ausgangswechselstrom gleich dem zweiten Ausgangswechselstrom ist, fließt kein Strom durch den Komparator und der Komparator erzeugt keinen Vergleichswert oder einen Vergleichswert, welcher die Gleichartigkeit der Ausgangswechselströme anzeigt.
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Sofern der erste Ausgangswechselstrom ungleich dem zweiten Ausgangswechselstrom ist, fließt jedoch ein Strom durch den Komparator und der Komparator erzeugt einen Vergleichswert, welcher den Unterschied der beiden Ausgangswechselströme in qualitativer und/oder quantitativer Weise anzeigt. Derartige Unterschiede können beispielsweise durch Schäden oder Störungen in zumindest einem der Transformatoren 4a und 4b verursacht werden.
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Auf Basis des durch den Komparator bestimmten Vergleichswerts, welcher einer Signaleinheit 10 bereitgestellt wird, kann die Signaleinheit 10 ein Signal 12 ausgeben. Das Signal 12 kann beispielsweise einer Steuereinheit bereitgestellt werden, welche sodann beispielsweise die Wechselspannungsquelle 2 ansteuert, um der Ungleichheit der Ausgangswechselströme entgegenzuwirken oder die Eingangsspannungsversorgung bzw. Eingangsstromversorgung zu stoppen.
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Auf diese Weise kann verhindert werden, dass aufgrund einer reduzierten Funktionalität eines der Transformatoren 4a und 4b eine Überlastung des jeweils anderen Transformators auftritt und zu einer Beschädigung des anderen Transformators führt.
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In 2 ist eine schematische Darstellung eines Schaltbildes einer zweiten bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Elemente, welche bereits in 1 dargestellt sind, sind auch in 2 mit den gleichen Bezugszeichen dargestellt und werden nicht nochmals erläutert.
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Die Wechselstromquelle 2 ist in der dargestellten Ausführungsform als Umrichter ausgebildet. Der Umrichter 2 beaufschlagt dabei die Eingänge der eingangsseitig parallel geschalteten Transformatoren 4a und 4b mit einem ersten Teil bzw. einem zweiten Teil de Eingangswechselstroms. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind an den Ausgängen der Transformatoren 4a und 4b Dioden 16 ausgebildet, mittels welcher die Ausgangswechselströme gleichgerichtet werden können. An Ausgängen + und – können Schweißdioden, insbesondere Zangenschenkel, einer Widerstandsschweißvorrichtung angeschlossen werden. Zur Stromerhöhung können die Ausgänge parallel (+/+ und –/–) geschaltet werden.
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Ferner sind in der Schaltung ein erster Stromsensor 14a und ein zweiter Stromsensor 14b als Messspulen ausgebildet, um die gleichgerichteten Ausgangswechselströme als die den Ausgangswechselstrom charakterisierende Größen zu vergleichen. Die Ausgangssignale der Stromsensoren 14a und 14b werden dem Komparator 6 zugeführt, welcher einen Vergleichswert auf Basis der Ausgangssignale der Stromsensoren 14a und 14b und somit auf Basis der Ausgangswechselströme des ersten Transformators 4a und des zweiten Transformators 4b bestimmt.
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Der Vergleichswert wird der Signaleinheit 10 bereitgestellt, welche je nach Wert des Vergleichswertes unterschiedliche Signale ausgibt oder, sofern nicht erforderlich, auch kein Signal ausgibt. Insbesondere kann jedoch ein Signal ausgegeben werden, wenn eine asymmetrische Lastverteilung zwischen dem Transformator 4a und dem Transformator 4b bzw. zwischen den beiden parallelen Strängen vorliegt, welches beispielsweise dem Umrichter 2 bereitgestellt werden kann. Anhand des bereitgestellten Signals kann beispielsweise der Umrichter den Eingangswechselstrom derart steuern oder regeln, dass der asymmetrischen Lastverteilung dem Transformator 4a und dem Transformator 4b entgegengewirkt wird. Insbesondere kann der Eingangswechselstrom entsprechend erhöht oder reduziert werden, wenn der zugehörige Ausgangswechselstrom kleiner bzw. größer als der andere Ausgangswechselstrom ist.
