DE1081117B - Anlage zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz - Google Patents

Anlage zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz

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DE1081117B
DE1081117B DES48431A DES0048431A DE1081117B DE 1081117 B DE1081117 B DE 1081117B DE S48431 A DES48431 A DE S48431A DE S0048431 A DES0048431 A DE S0048431A DE 1081117 B DE1081117 B DE 1081117B
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DE
Germany
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frequency
generator
clock
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commutator
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Pending
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DES48431A
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English (en)
Inventor
Wilfred Lewis Turvey
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Sperry Gyroscope Co Ltd
Original Assignee
Sperry Gyroscope Co Ltd
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/42Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output to obtain desired frequency without varying speed of the generator

Description

  • Anlage zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz Die Erfindung betrifft Anlagen zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz.
  • Bei gewöhnlichen Wechselstrom-Generatoranlagen, bei denen ein Wechselstromgenerator durch einen Motor oder einen sonstigen Antrieb angetrieben wird, hängt die Frequenz des Ausgangswechselstromes des Generators von der Antriebsdrehzahl ab.
  • Demgemäß besteht eine Möglichkeit der Frequenzkonstanthaltung solcher Generatoranlagen darin, die Antriebsdrehzahl selbst zu regeln. Es hat sich jedoch ergeben, daß kleine Änderungen der Generatordrehzahl und somit der Ausgangsfrequenz auf diesem Wege nicht vermieden werden können.
  • Ein anderes Verfahren zur Frequenzkonstanthaltung beruht darauf, daß man die Feldwicklung eines Amplidyn- oder Metadyn-Generators mit einem von einem Taktgeber konstanter Frequenz gelieferten Erregerstrom erregt.
  • Nach einem anderen Vorschlag wurden ein Haupt-und ein Hilfsgenerator mit mechanisch miteinander gekuppelten Rotoren verwendet. Beide Generatoren haben Dreiphasenstator- und Rotorwicklungen, wobei die Rotorwicklung des Hilfsgenerators die Rotorwicklung des Hauptgenerators speist. Eine dreiphasige Taktgeberspannung der gewünschten Frequenz wird den Statorwicklungen des Hilfsgenerators zugeführt, wodurch in diesem ein Drehfeld erzeugt wird. Dieses Feld erzeugt Ströme in der Hilfsrotorwicklung, die in dem Hauptrotor ein Feld erzeugen, das, während es gegenüber dem Rotor mit der Differenz der Drehzahlen zwischen derjenigen des Hilfsgenerator-Statorfeldes und derjenigen der Rotoren umläuft, gegenüber dem Hauptgeneratorstator mit der Drehzahl des Hilfsgenerator-Statorfeldes umläuft. Daher ist die Ausgangsfrequenz dieselbe wie die Taktgeberfrequenz. Wenn bei der-Anlage nach diesem letzten Vorschlag die Rotordrehzahlen der Drehzahl des Hilfsgenerator-Statorfeldes gleichen, wird keine Spannung in der Hilfsgenerator-Statorwicklung erzeugt, und der Ausgangsstrom der Anlage ist Null. Dies ist ein schwerwiegender Nachteil dieser Anordnung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Frequenz des von einem Wechselstromgenerator erzeugten Stromes zu schaffen, welche die obengenannten Nachteile vermeidet. Sie betrifft insbesondere eine Anlage zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz mit einem nach Art einer mehrphasigen Asynchronmaschine aufgebauten Hauptgenerator, einem den Generator mit angenäherter Solldrehzahl antreibenden Antriebsmotor, einem Taktgeber, der die Sollfrequenz des von der Anlage erzeugten Wechselstromes vorschreibt, sowie mit einer Vorrichtung zum Vergleich der der tatsächlichen Drehzahl des Generators entsprechenden Istfrequenz mit der Sollfrequenz.
  • Zur Vermeidung der genannten Nachteile wird eine derartigeAnlage gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß der aus der Vergleichsvorrichtung entnommene Strom, dessen Frequenz die Differenz zwischen Soll-und Istfrequenz ist, zur Erregung der mehrphasigen Statorwicklung des Hauptgenerators dient.
  • Durch die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Maßnahme, den Stator statt wie bei den bekannten Anordnungen den Rotor des Hauptgenerators durch die von der Vergleichsvorrichtung gelieferte Ausgangsgröße mit der Differenzfrequenz zu erregen, wird der -entscheidende Vorteil erzielt, daß die Anlage auch bei synchronem Umlauf des Rotors mit der Taktgeberfrequenz eine Spannung mit der Taktgeberfrequenz erzeugt.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vergleichsvorrichtung einen mit der Rotordrehzahl des Hauptgenerators 1 (Fig. 1) angetriebenen Hilfsgenerator 5 aufweist, dessen Wechselspannung eine der Istrotordrehzahl oder einem Vielfachen hiervon entsprechende Frequenz hat und einem mit der Taktgeberspannung gespeisten Modulator 6 zugeführt wird, der eine Ausgangsgröße mit der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz der Hilfsgeneratorspannung und der Taktgeberspannung bildet, die nach Verstärkung 7 der mehrphasigen Statorwicklüng des Hauptgenerators zugeführt wird.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Vergleichsvorrichtung einen synchron mit dem Rotor des Hauptgenerators angetriebenen 'Kommutator 12, 13; 14, 15 (Fig. 2) aufweist, welcher mit der Taktgeberspannung gespeist wird und aus dieser eine oder mehrere Ausgangsgrößen bildet, -deren jede eine komplexe Welle darstellt, welche im Falle des Synchronismus zwischen Rotor bzw. Kommutator undTaktgeberfrequenz eine Gleichstromkomponente aufweist;=deren Richtung und Größe von der Phasenbeziehung zwischen der Kommutation und der Taktgeberfrequenz -abhängen, im Falle des Asynchronismus zwischen der Kommutation und der Taktgeberfrequenz jedoch eine Wechselstromkomponente mit der Differenzfrequenz enthält, die in einer Vorrichtung 22 aus der bzw. den Kommutatorausgangsgröße bzw. -großen ausgefiltert und der Statorwieklung 2 des Hauptgenerators 1 zugeführt wird.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Vergleichsvorrichtung einen Hilfsgenerator 23 (Fig. 3) aufweist, dessen synchron mit dem Hauptgene rätorrotor 3 angetriebener Rotor von den Mehrphasenströmen des Taktgebers erregt wird, wobei die am Kommutator 25 mittels fester Bürsten 27 abgenommene Mehrphasenausgangsgröße der Statorwicklung2 -des Hauptgenerators zugeführt wird.
  • Schließlich besteht eine Ausführungsform der Erfindung darin, daß die Vergleichsvorrichtung einen mit der Taktgeberfrequenz erregten Mehrphasentransformator 24z und einen mit entsprechenden Anzapfungen derTransformatorwicklungen verbundenen stationären Kommutator25d auf-,veist, an dem mittels mit der Drehzahl des Hauptgeneratorrotors umlaufender Bürsten 27d die Ausgangsgröße mit der Differenzfrequenz abgenommen. und über Schleifringe 28 der Statorwicklung des Hauptgenerators zugeführt wird.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von vier Ausführungsbeispielen einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Anlage an Hand der Zeichnung. In dieser zeigt Fig. 1 eine Erzeugungsanlage mit einer einen Zwischenmodulator enthaltenden Frequenzregelvorrichtung, Fig. 2 eine Generatoranläge mit einer einen Kommutator enthaltenden Frequenzregelvorrichtung, Fig. 3 eine Anlage, bei- der die Frequenzregelvorrichtung einen Hilfsgenerator enthält, dessen Rotorwicklung sowohl mitSchleifringen als auch mit einem Kommutator verbunden ist, Fig. 4 eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig. 3; bei der der Hilfsgenerator durch einen- Transformator ersetzt ist und bei der ein ortsfester Kommutator-mit drehbaren Bürsten zusammenarbeitet.
  • Wie Fig. 1 zeigt, ist ein nach Art einer Asynchronmaschine aufgebauter Hauptgenerator 1 finit einer Dreiphasenstatorwicklung 2 und einer mit Schleifringen 4 verbundenen Rotörwicklung 3 versehen. Der Rotor wird -durch einen nicht abgebildeten Motor mit einer' Drehzahl angetrieben, die einer gewünschten Frequenz entspricht, die 'dann entsteht, wenn die Wicklung 2 des Stators mit Gleichstrom erregt wird. Ein Hilfsgenerator 5, der" im Hauptgenerator untergebracht oder mit dem Hauptgenerator mechanisch gekuppelt ist, erzeugt eine Dreiphasen-Wechselspaunung; deren Frequenz der Rötordrehzahl des Hauptgenerators entspricht. Ferner ist eine nicht abgebildete Quelle für eine dreiphasige Bezugswechselspannung vorgesehen, welche die gewünschte Ausgangsfrequenz mit hoher Frequenzgenauigkeit bestimmt.
  • Die Ausgangsspannung des Hilfsgenerators 5 und die Bezugsspannung werden einem Zwischenmodulator 6 bekannter Bauart zugeführt, der die beiden Spannungen miteinander moduliert und die Schwebungsfrequenz entnimmt. Die Sehwebungsfrequenz wird im Verstärker 7 verstärkt, und die Ausgangsgröße des Verstärkers wird den Mehrphasen-Statorwicklungen 2 in der Weise zugeführt, daß ein drehendes Erregerfeld erzeugt wird. Die Drehzahl des Erregerfeldes gleicht der Differenz zwischen der Soll= und der Istdrehzahl des Rotors. Das Erregerfeld hat einen solchen Drehsinn, daß die Relativdrehzahl zwischen dem Rotor und dem Erregerfeld des Hauptgenerators gleich der Istdrehzahl ist. Unter der Wirkung des Erregerfeldes auf die Rotorwicklung 3 des Hauptgenerators entsteht dann eine Ausgangsgröße der gewünschten Frequenz.
  • Dies geht deutlicher aus den Ausgangskurven der Fig. 1 hervor. Unter der Annahme, daß die Bezugsfrequenzquelle genau drei Perioden in einer gegebenen Zeiteinheit abgibt (Kurve 8), während die Drehzahl des Haupt- und des Hilfsgenerators so groß ist, daß der Hilfsgenerator 5 genau vier Perioden in derselben Zeit abgibt (Kurve 9), gibt der Zwischenmodulator 6 genau eine Periode in der gegebenen Zeit ab (Kurve 10), die nach Verstärkung im Verstärker 7 der Statorwicklung 2 zugeführt wird. Hierdurch wird ein Feld erzeugt, das gegenüber der Feldwicklung mit der Differenzdrehzahl und gegenüber der Rotorwicklung mit der Solldrehzahl umläuft, weshalb der Hauptgenerator genau drei Perioden in der gegebenen Zeiteinheit abgibt (Kurve 11).
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein Hauptgenerator 1 in ähnlicher Weise wie nach Fig. 1 angeordnet und weist einen auf seiner Rotorwelle angeordneten Kommutator 12 auf. Der Kommutator enthält drei Teile 13, 14 und 15, und die Bezugsquelle ist ein nicht abgebildeter Oszillator, der eine Dreiphasenausgangsgröße erzeugt, Der Oszillator ist mit den Kommutatorteilen 13, 14 und 15 durch Transformatoren 16 bzw. 17 bzw. 18 gekoppelt, so daß die Kommutatorteile, wenn der Kommutator synchron mit der Bezugsfrequenz getrieben wird (mit anderen Worten, wenn der Generator mit der Solldrehzahl getrieben wird), Ausgangsgrößen erzeugen, deren jede eine komplexe Welle mit einer Gleichstromkomponente ist, wobei Richtung und Größe der Komponente von der Bezugsphase der Kommutierung und der Bezugsfrequenz abhängt. Die Kurven 19, 20 und 21 zeigen solche -komplexe Wellen für die Kommutatorteile 13, 14 und 15 für eine bestimmte Phasenbeziehung zwischen der Kommutierung und der Bezugsfrequenz. .
  • Wird der Kommutator asynchron gegenüber der Bezugsfrequenz angetrieben, so ist jede Ausgangsgröße eine komplexe Welle mit einer Komponente, die mit der Differenzfrequenz wechselt. Die Kommutatorausgangsgröße wird durch ein Filter 22, das aus einer Anordnung von - wie abgebildet - miteinander verbundenen Drosseln und Kondensatoren besteht, gefiltert, so daß die Gleichstromkomponente oder Differenzfreqüenzkomponente ausgesiebt wird. Die Differenzfrequenzkomponente hat eine wesentlich niedrigere Frequenz als die Kommutierungsfrequenz. Die gefilterte Ausgangsgröße des Kommutators, die, falls erforderlich, durch einen in der Zeichnung nicht dargestellten Verstärker verstärkt werden kann, wird der Statorwicklung 2 des Generators zugeführt, wodurch ein Erregerfeld erzeugt wird, dessen Drehzahl gegenüber dem Rotor der Solldrehzahl gleicht.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Rotor eines Hilfsgenerators auf der Welle des Hauptgenerators angebracht oder in anderer Weise so angeordnet, daß er synchron mit dem Hauptgeneratörrotor angetrieben wird. Der Rotor des Hilfsgenerators dreht sich innerhalb eines festen Stators und hat eine Dreiphasenwicklung 24, die -an mit gegenseitigen Winkelabständen verteilten Punkten mit den entsprechend -angeordneten Lamellen eines Kommutators 25 verbunden ist. Diese Verbindungen sind, damit die Zeichnung übersichtlich bleibt, nicht abgebildet. Dreiphasenströme, welche von der Bezugsfrequenzquelle geliefert werden, werden den Hilfsgeneratorwicklungen durch Schleifringe 26 zugeführt, so daß ein magnetisches Feld erzeugt wird, welches-gegenüber der Hilfsrotorwicklung 24 mit der Solldrehzahl umläuft. Daher läuft, außer wenn Haupt- und Hilfsrotor mit der Solldrebzahl laufen, das magnetische Feld gegenüber den Kommutatorbürsten 27 mit einer verhältnismäßig geringen Drehzahl, die der Differenz zwischen der Soll- und der Istrotordrehzahl gleicht.
  • Der Hilfsgenerator erzeugt daher dreiphasige Wechselströme, die der Statorwicklung 2 des Hauptgenerators zugeführt werden, wodurch ein Erregerfeld erzeugt wird, das im entsprechenden Sinne mit der Differenzdrehzahl zwischen der Soll- und der Istdrehzahl des Hauptgeneratorrotors umläuft. Wenn die Istdrehzahl der Solldrehzahl gleicht, erzeugt der Hilfsgenerator dreiphasige Gleichströme, die ein stationäres Erregerfeld in der Statorwicklung 2 des Hauptgenerators erzeugen.
  • Offensichtlich muß der Hilfsgenerator von solcher Bauart sein, daß jede Relativwinkelstellung zwischen den Bürsten und dem Gleichstromfeld möglich ist. Aus diesem Grunde muß der nicht abgebildete feste Stator mit nicht vorspringenden Polen ausgebildet sein. Ferner kann er Kompensationswicklungen aufweisen, die mit den Bürsten in Reihe geschaltet sind.
  • Fig. 4 zeigt eine mögliche Abwandlung der Ausführungsform nach Fig.3. Der Hilfsgenerator ist durch einen Dreiphasentransformator 24a ersetzt, welcher durch die zugeführte Bezugsfrequenz erregt wird und dem ein feststehender Kommutator zugeordnet ist, dessen Segmente mit mehreren nicht abgebildeten Anzapfungen der Transformatorwicklungen entsprechend den Verbindungen zwischen der Rotorwicklung und dem Kommutator derAusführungsform nach Fig. 3 verbunden sind. Drei Bürsten 27a arbeiten mit dem Kommutator zusammen und laufen mit etwa derselben Drehzahl wie der Hauptgenerator und sind mit Schleifringen 28 verbunden. Die Schleifringbürsten sind in entsprechender Weise mit den Anschlüssen der in der Zeichnung nicht dargestellten Feldwicklung des Hauptgenerators verbunden. Man sieht, daß die Frequenz der an den Schleifringen auftretenden Wechselspannung von der Drehzahl der Bürsten abhängt. Bei synchroner Drehzahl fällt diese Frequenz gegen Null ab, und es tritt eine kontinuierliche Gleichspannung zwischen den Schleifringen 28 auf. Die Wirkung auf das Statorfeld ist die gleiche wie bei der vorhergehenden Ausführungsform.
  • Beim Betrieb der Anlage können Schwankungen der Stärke des Hauptgeneratorfeldes auftreten, während dieses mit einer schwankenden Drehzahl in Abhängigkeit von den Schwankungen der Rotordrehzahl umläuft. Entsprechende Schwankungen treten. dann in der Amplitude der Generatorausgangsgröße-auf. Ferner kann eine Änderung der- Istrotordrehzahl die Ausgangsamplitude in anderer Weise beeinflussen. Daher kann es erwünscht sein, daß in die oben -beschriebenen Ausführungsformen Vorrichtungen aufgenommen werden, durch die die Ausgangsamplitude selbsttätig geregelt wird. Eine für diesen Zweck geeignete Vorrichtung enthält vorzugsweise eine bekannte Vorrichtung zur Wahrnehmung der Amplitudenänderung der Ausgangsgröße, die bei der Abweichung der Amplitude von einem vorbestimmten Wert ein Amplittudenfehlersignal erzeugt. Dieses Signal wird zur Regelung des Stromes verwendet, der die Statorwicklung des Hauptgenerators speist. Diese Regelung kann zweckmäßig dadurch ausgeführt werden, daß das Amplitudenfehlersignal zur Regelurig der Amplitude der Bezugsspannung verwendet wird, oder, falls ein Generator mehrphasige Bezugsspannungen erzeugt; dadurch, daß die Erregung des Bezugsgenerators in dieser Weise geregelt wird. Auf diese Weise werden die mehrphasigen Spannungen zur Belieferung der mehrphasigen Erregerwicklung des Hauptgenerators gleichzeitig geregelt, wodurch eine konstante Amplitude der Ausgangsgröße aufrechterhalten wird.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Anlage zur Erzeugung eines Wechselstromes konstanter Frequenz mit einem nach Art einer mehrphasigen Asynchronmaschine aufgebauten Hauptgenerator, einem den Generator mit angenäherter Solldrehzahl antreibenden Antriebsmotor, einem Taktgeber, der die Sollfrequenz des von der Anlage erzeugten Wechselstromes vorschreibt, sowie mit einer Vorrichtung zum Vergleich der der tatsächlichen Drehzahl des Generators entsprechenden Istfrequenz mit der Sollfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Vergleichsvorrichtung entnommene Strom, dessen Frequenz die Differenz zwischen Soll- und Istfrequenz ist, zur Erregung der mehrphasigen Statorwicklung des Hauptgenerators dient.
  2. 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung einen mit der Rotordrehzahl des Hauptgenerators (1, Fig.1) angetriebenen Hilfsgenerator (5) aufweist, dessen Wechselspannung eine der Istrotordrehzahl oder einem Vielfachen hiervon entsprechende Frequenz hat und einem mit der Taktgeberspannung gespeisten Modulator (6) zugeführt wird, der eine Ausgangsgröße mit der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz der Hilfsgeneratorspannung und der Taktgeberspannung bildet, die nach Verstärkung (7) der mehrphasigen Statorwicklung des Hauptgenerators zugeführt wird.
  3. 3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung einen synchron mit dem Rotor des Hauptgenerators angetriebenen Kommutator (12, 13, 14, 15 in Fig. 2) aufweist, welcher mit der Taktgeberspannung gespeist wird und aus dieser eine oder mehrere Ausgangsgrößen bildet, deren jede eine komplexe Welle darstellt, welche im Falle des Synchronismus zwischen Rotor bzw. Kommutator und Taktgeberfrequenz eine Gleichstromkomponente aufweist, deren Richtung und Größe von der Phasenbeziehung zwischen der Kommutation und der Taktgeberfrequenz abhängen, im Falle des Asynchronismus zwischen der Kommutation und der Taktgeberfrequenz jedoch eine Wechselstromkomponente mit der Differenzfrequenz enthält, die in einer Vorrichtung (22) aus der bzw. den Kommutatarausgangsgröße bzw. -größen ausgefiltert und der Statorwicklung (2) des Hauptgenerators (1) zugeführt wird.
  4. 4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber eine mehrphasige Ausgangsgröße liefert.
  5. 5. Artlage nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß, ein Verstärker vorgesehen ist, welcher die Kommutatorausgangsgröße(n) nach der Filterung verstärkt, bevor sie der Statorwicklung des Hauptgenerators zugeführt werden.
  6. 6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung einen Hilfsgenerator (23 in Fig.3) aufweist, dessen synchron mit dem Hauptgeneratorrotor (3) angetriebener Rotor von den Mehrphasenströmen des Taktgebers erregt wird, wobei die am Kommutator (25) mittels fester Bürsten (27) abgenommene Mehrphasenausgangsgröße der Statorwicklung (2) des Hauptgenerators zugeführt wird.
  7. 7. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsvorrichtung einen mit der Taktgeberfrequenz erregten Mehrphasentransformator (24a) und einen mit entsprechenden Anzapfungen der Transformatorwicklungen verbundenen stationären Kommutator (25a) aufweist, an dem mittels mit der Drehzahl des Hauptgeneratorrotors umlaufender Bürsten (27a) die Ausgangsgröße mit der Differenzfrequenz abgenommen und über Schleifringe (28) der Statorwicklung des Hauptgenerators zugeführt wird. B.
  8. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Konstanthaltung der Amplitude der Hauptgeneratorausgangsgröße vorgesehen ist.
  9. 9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieVorrichtung zurKonstanthaltung der Amplitude der Hauptgeneratorausgangsgröße einen Regler für die Größe der Taktgeberspannung aufweist. In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 302 689.
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