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Phasenschieber zur Blindleistungsdeckung, insbesondere bei Laststößen
Die Spannungshaltung von Drehstromnetzen bei hohen Belastungsstößen, beispielsweise
bei dem Betrieb von Walzenstraßen oder Elektroöfen oder aber bei ungewollten, durch
Kurzschlüsse bedingten Belastungsstößen, erfordert die schnelle Bereitstellung hoher
Blindleistungen.
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Diese Blindleistungslieferung oder Blindleistungsdeckung kann in gewissem
Grade durch die das Drehstromnetz speisenden Synchrongeneratoren erfolgen. Da indessen
jeder Blindlaststoß eines. Synchrongenerators mit einem mehr oder weniger großen
Zusammenbruch des Erregerfeldes des Läufers, verbunden ist, ist eine dementsprechende
Erhöhung des Erregerstromes erforderlich. Diese erfolgt im allgemeinen durch die
Regelung der Erregermaschine des Synchrongenerators selbsttätig, sie erfolgt jedoch
infolge der unvermeidlichen Trägheit des Regelungsvorganges solcher Anordnungen,
um zeitweilige Spannungen verhindern zu können, zu langsam.
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Diesem Mangel tragen in neuerer Zeit bekanntgewordene Erregeranordnungen
von Synchrongeneratoren Rechnung, bei denen der Erregerstrom des Läufers über gesteuerte
Gasentladungs-Stromrichter geliefert wird. Mittels solcher Anordnungen ist es möglich,
innerhalb weniger Perioden der Wechselspannungen das Vielfache des Nennerregerstromes.
zu erzeugen, so daß Blindlaststöße weitgehend abgefangen werden können. Dieses Vorgehen
setzt aber voraus, daß der Synchrongenerator bei den Laststößen unterhalb seiner
Stabilitätsgrenze belastet bleibt, daß also seine Trittgrenze nicht überschritten
wird. Dies bedingt aber weiter, daß der Generator für die höchsten Lastspitzen ausgelegt
sein muß.
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Aus diesem Grunde wird die erforderliche Typenleistung erheblich größer,
als die durchschnittlich benötigte Blindleistung erfordert. Deshalb ist es aus,
den gleichen genannten Stabilitätsgründen auch nicht ohne weiteres möglich, beispielsweise
an Stelle von nacheilendem Blindstrom voreilenden Blindstrom zu entnehmen. Denn
sonst könnte man die durchschnittlich benötigte Blindleistung wirtschaftlicher durch
Kondensatoren aufbringen und nur die davon stark abweichenden Anteile der Blindleistung
durch einen kleiner bemessenen sogenannten Phasenschieber decken. Hierzu sind Synchronmaschinen
wenig geeignet. Aus den gleichen genannten Stabilitätsgründen ist es auch nicht
möglich, vorhandene Synchronmaschinen, die zum Betrieb von Antriebsmotoren dienen,
gleichzeitig zur Kompensation von Blindlaststößen auszunutzen.
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Es ist indessen möglich, diese Stabilitätsschwierigkeiten zu vermeiden,
wenn man in bekannter Weise Asynchronmaschinen mit Schleifringläufern als Phasenschieber
anwendet, deren Läuferströme aus sogenannten Hintermaschinen entnommen werden. Derartige
Phasenschiebermaschinen können bekanntlich beliebige nacheilende oder voreilende
Ströme aufnehmen oder abgeben.
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Diese rotierenden Phasenschieber, bestehend aus einer als Asynchronmaschine
betriebenen Induktionsmaschine und einer Hintermaschine, haben indessen neben der
Notwendigkeit einer Wartung der Kollektoren der Maschinen den weiteren Nachteil,
daß die Regelung einer derartigen Anordnung nicht genügend schnell erfolgen kann,
da im allgemeinen mehrere magnetische Felder beeinlußt werden müssen.
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Jedoch lassen sich auch bei diesen sogenannten Regelsätzen, wie bekannt
ist, bedeutend bessere Regeleigenschaften eines Phasenschiebers erzielen, wenn man
die Hintermaschine durch Stromrichter ersetzt. Diese guten Regeleigenschaften sind
indessen nur voll ausnutzbar, wenn die Regelung unabhängig voneinander auf die Drehzahl
des Läufers einerseits einwirkt und die Blindleistung andererseits erfaßt.
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Eine besondere Gefährdung von elektrischen Maschinen zur Blindleistungsdeckung
kann in den Fällen entstehen, in welchen eine Kompensierung der Blindleistungen
und eine Stabilisierung langer Fernleitungen mit Hilfe von längs der Leitung verteilten
Phasenschiebern, beispielsweise von Synchronmaschinen, durchgeführt werden soll.
Die Erzielung der Stabilität solcher Fernleitungen erfordert, daß die Blindleistungsbedürfnisse
der Leitungen in jedem Augenblick so schnell befriedigt werden, daß die
Spannung
an den Regelpunkten annähernd konstant bleibt.
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Um dieser Bedingung zu entsprechen, ohne daß die Gefahr besteht, daß
einzelne Phasenschieber überlastet werden, sind bei einer bekannten Einrichtung
zur Regelung - von Wechselstromfernleitungen die längs der Leitung verteilten Phasenschieber,
beispielsweise Synchronmaschinen, von einer Hilfswechselspannung aus über gesteuerte
Gleichrichter erregt, und es ist ein an sich bekanntes Relais vorgesehen, welches
auf das Gleichgewicht der induktiven Blindleistung der Fernleitung, der kapazitiven
Blindleistung der Fernleitung der am Ort der Kompensierungseinrichtung zugeführten
Blindleistung und gegebenenfalls eines gewissen Bruchteiles der Wirkleistung der
Station anspricht und welches, wenn die vom Phasenschieber aufgenommene kapazitive
Blindleistung zu groß oder die von ihm aufgenommene induktive Blindleistung zu klein
ist, den Gleichrichter sperrt, während bei zu großer, vom Phasenschieber aufgenommener
induktiver Blindleistung oder bei zu kleiner von ihm aufgenommener kapazitiver Blindleistung
der Gleichrichter stromführend wird, so, daß sich im Beharrungszustand ein fortwährendes
Ein-und Ausschalten des Gleichrichters einstellt.
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Die Erfindung sieht für einen Phasenschieber zur Blindleistungsdeckung,
insbesondere bei Laststößen, der aus einer Asynchron-Induktionsmaschine mit Schleifringläufer
und einem zwischen den Schleifringanschlüssen des Läufers und dem speisenden Drehstromnetz
eingeschalteten frequenzelastischen Umrichter besteht, einen aus drei Reglern zusammengesetzten
Regelkreis vor, der auf die Steuerung des Stromrichters einwirkt, wobei durch den
ersten Regler die das Drehmoment des Läufers bestimmenden Komponenten der Läuferströme
proportional der Regelabweichung der Drehzahl oder der Wirkleistung als schlupffrequente
Hilfswechselspannungen abgebildet, durch den zweiten Regler die die Blindleistung
bestimmenden Komponenten der Läuferströme proportional der Regelabweichung der Blindleistung
als schlupf-frequente Hilfswechselspannungen abgebildet sind, und mittels des aus
drei Einzelreglern gebildeten, den drei Phasen des Läufers zugeordneten dritten
Reglers aus dem Vergleich der den Sollwert des Läuferstromes ergebenden Summenspannung
der beiden genannten Hilfswechselspannungen je Phase und dem als Spannung dargestellten
Istwert des Läuferstromes derselben Phase Stellgrößen gebildet sind, die über ein
Gittersteuergerät der Steuerung des Umrichters dienen, wobei zur Bildung der Amplitude
und der Schlupffrequenz der Hilfswechselspannungen nach Maßgabe der Stellgrößen
der beiden erstgenannten Regelkreise, der netzfrequenten und der drehzahlfrequenten
Wechselspannungen, sogenannte Multiplikatoren verwendet sind.
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Hierbei sind unter den das Drehmoment des Läufers bestimmenden Komponenten
der Läuferströme die Wirkkomponenten dieser Ströme zu verstehen, während mit den
die Blindleistung bestimmenden Komponenten der Läuferströme die Blindkomponenten
dieser Ströme gemeint sind.
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Unter Multiplikatoren sind elektrische Einrichtungen verstanden, die
je zwei ihnen zugeführte Eingangsspannungen so verarbeiten, daß als. Ausgangsspannung
eine dem Produkt der Eingangsspannungen proportionale Spannung erscheint. Sie können
beispielsweise aus Haugeneratoren bestehen oder aus Bauelelementen anderer Wirkungsprinzipien
aufgebaut sein.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Phasenschieberanordnung nach der Erfindung
ist in Fig. 1 und 2 dargestellt.
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Fig.1 zeigt das Prinzipschaltbild der Starkstrom führenden Grundbestandteile
des Phasenschiebers. Darin ist 1 eine Asynchron-Induktionsmaschine mit Schleifringläufer,
die gegebenenfalls noch durch eine nicht wiedergegebene Antriebsmaschine angetrieben
sein kann. Die Ständerwicklung der Asynchronmaschine ist an das Drehstromnetz mit
den Phasen R, S, T angeschlossen. Die Schleifringe des Läufers sind an einen dreiphasigen
Umrichter 2 angeschlossen, der über einen Transformator 3 die schlupffrequenten
Wechselströme in netzfrequente Ströme umwandelt und damit die Verbindung mit dem
Drehstromnetz herstellt. Der Umrichter ist beispielsweise aus neun Paar steuerbaren
Halbleiterventilen in Gegenparallelschaltung aufgebaut.
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Außerdem ist ein Kurzschließer 4 vorgesehen, der zum Kurzschließen
des Läufers während des Anlassens der Maschine, gegebenenfalls über Anlaßwiderstände,
dient. Während des Anlaßvorganges sind die Stromrichterventile gesperrt. Nach Erreichen
der Solldrehzahl, die zweckmäßig nur wenig unterhalb der synchronen Drehzahl liegen
soll, wird der Kurzschließer 4 geöffnet und der Umrichter so gesteuert, daß der
Läufer seine Drehzahl beibehält und die Maschine die gewünschte Blindleitung überträgt.
Ebenso ist es möglich, die Asynchronmaschine mittels einer besonderen Antriebsmaschine
bis auf die gewünschte Drehzahl hochzufahren.
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Eine Regeleinrichtung nach der Erfindung zur Einregelung der Drehzahl
und der gewünschten Blindleistung ist in Fig.2 als Blockschaltbild dargestellt.
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Auf der linken Seite der Fig. 2 ist die Asynchronmaschine 1 mit den
Zuleitungen der Ständerwicklung und der Schleifringe des Läufers wiedergegeben.
Der an die Schleifringe angeschlossene Umrichter 2 ist nur durch zwei gegenparallel
geschaltete Ventile je Phase angedeutet, wobei in diesem Schaltbild die Anwendung
gesteuerter Gasentladungsventile zur u nde gelegt ist. Die weiteren Verbindungen
des Umrichters mit den Netzphasen R. S, T sind nicht wiedergegeben. In die Zuleitungen
der Ständerwicklung sind Stromwandler 5 eingeschaltet, zwischen je zwei dieser Zuleitungen
sind Spannungswandler 6 angeschlossen. In den von den Schleifringen des Läufers
zu dem Umrichter 2 führenden Leitungen liegen Stromwandler 7.
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Die Drehzahl n des Läufers der Phasenschiebermaschine 1 wird mittels
eines mit der Läuferwelle gekuppelten Tachodynamos 8, der eine der Drehzahl proportionale
Gleichspannung abgibt, gemessen. Außerdem ist mit der Läuferwelle ein weiterer Tachodynamo
9 gekuppelt, der drei ein Dreiphasensystem bildende Wechselspannungen mit der Drehzahlfrequenz
f., abgibt. Als Drehzahlfrequenz wird dabei diejenige Frequenz der Wechselspannungen
bezeichnet, die der Drehzahl des Läufers entspricht. Sie ist allgemein gegeben durch
f., = (1 -- s) f, worin f die Netzfrequenz und s der sogenannte Schlupf des
Läufers ist. Das Spannungssystem des Tachodynamos 9 ist mit R" S" T, bezeichnet.
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Die durch den Tachodynamo 8 abgegebene, der Ist-Drehzahl n;" ensprechende
Gleichspannung wird zusammen mit einer vorgegebenen, der Soll-Drehzahl
rzsozz
entsprechenden Gleichspannung einem Regler mit dem Regelverstärker 12 und dem Vergleichsglied
12a zugeführt, dessen der Regelabweichung proportionale Ausgangsspannung die eine
Eingangsspannung der Multiplikatoren 13 bildet. Als Regelabweichung ist, wie bekannt,
die Soll-Ist-Wertdifferenz bezeichnet. Die anderen Eingangsspannungen dieser Multiplikatoren
sind über einen Hilfstransformator 10 den netzfrequenten Spannungen des Drehstromnetzes
R, S, T entnommen. Die Multiplikatoren, die beispielsweise aus Haugeneratoren gebildet
sind, erzeugen eine Ausgangsspannung, die dem Produkt der beiden Eingangsspannungen
proportional ist. Auf diese Weise wird ein netzfrequentes Drehstramsystem R', S',
T' gebildet, dessen Spannungsamplituden proportional der Ausgangsspannung des Reglers
1.2, also proportional der Regelabweichung der Läuferdrehzahl ist.
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Aus diesen Wechselspannungen des Systems R', S', T' ist die eine Komponente
der Steuerspannungen des Umrichters 2 zu bilden, der die Aufgabe zufällt, die gewünschte
Drehzahl einzuregeln. Da aber die Läuferströme, die über den Umrichter 2 dem Drehstromnetz
R, S, T wieder zugeführt sind, zunächst die Schlupffrequenz s-f haben, sind die
Wechselspannungen des Systems R', S', T' in schlupfrequente Spannungen umzuwandeln.
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Hierzu sind diese Wechselspannungen des Systems R', S', T' als die
eine Eingangsspannung der dreimal drei Multiplikatoren 14, 15, 16 zugeführt. Die
jeweils zweite Eingangsspannung dieser Multiplikatoren ist dem Drehstrom-Tachodynamo
9 entnommen, der die drehzahlfrequenten Spannungen des Systems R.., S." T". liefert.
Infolgedessen sind die Ausgangsspannungen der Multiplikatoren ?4, 15, 16, die wieder
dem Produkt der Eingangsspannungen proportional sind, durch die Produkte der netzfrequenten
und der drehzahlfrequenten Spannungen gegeben.
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Nach einem bekannten Satz der Kreisfunktionen ergibt nun das Produkt
zweier Sinusfunktionen mit verschiedenen Frequenzen zwei neue Sinusfunktionen, deren
Frequenz gleich der Differenz bzw. gleich der Summe der beiden genannten Frequenzen
ist. Da die beiden als sinusförmig anzunehmenden Eingangsspannungen der Multiplikatoren
im vorliegenden Fall die Frequenzen f bz-w. (1 - s) f haben. so liefert jeder
Multiplikator eine Spannung mit der Differenzfrequenz, also der Schlupffrequenz
s- f. Die außerdem gebildeten Spannungen der Summenfrequenz sind, wie sich herausstellt,
in ihrer Gesamtwirkung in der Schaltung der jeweils drei Multiplikatoren je Phase
unwirksam.
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Von den dreimal drei Multiplikatoren 14, 15, 16, deren Eingangszuleitungen
an die Drehstromsysteme R', .S', T' bzw. R1, S, T, in zyklischer Vertauschung
angeschlossen sind, sind je drei in der Weise zusammengefaßt, daß ihre Ausgangsspannungen
in Reihe geschaltet sind. Jede dieser so gebildeten drei Summenspannungen ist steuertechnisch
einer Phase der Läuferzuleitungen der Asynchronmaschine zugeordnet. Diese Summenspannungen
entsprechen bei richtiger Einstellung der Phasenlage des Tachodynamos 9 nach Frequenz
und Phase einem Abbild der Wirkkomponente der Läuferströme. Ihre Amplitude. die
den erforderlichen Steuereingriff zur Erzielung der gewünschten Solldrehzahl bestimmt,
stellt sich auf Grund der noch beschriebenen Zusammenwirkung mit einem weiteren
Regler so ein, daß die Summenspannungen den Sollwert der Wirkkomponente der Läuferströme
und damit der Läuferdrehzahl abgeben.
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Die weitere Aufgabe der Regeleinrichtung besteht darin, ein spannungsmäßiges
Abbild der Blindkomponente der Läuferströme, die den erforderlichen Steuereingriff
zur Erzielung der gewünschten Soll-Blindleistung abgibt, herzustellen.
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Hierzu wird eine Gleichspannung gebildet, die dem Istwert der Blindleistung
auf der Ständerseite der Asynchronmaschine entspricht. Dies geschieht mittels der
Stromwandler 5 und der Spannungswandler 6, die primärseitig an je eine verkettete
Spannung des Netzes R, S, T angeschlossen sind, so daß ihre Sekundärspannungen gegen
die bezüglichen Phasenspannungen in bezug auf den nicht wiedergegebenen Nullpunkt
um 90° versetzt sind. Die Strom- und Spannungswandler sind sekundärseitig mit je
zwei Eingängen der drei Multiplikatoren 17 verbunden. Die Summe der drei Ausgangsspannungen
der Multiplikatoren ist ein Maß für die Ist-Blindleistung auf der Ständerseite.
Diese Summenspannung und eine die Soll-Blindleistung darstellende Spannung wirken
auf einen Regler mit dem Regelverstärker 18 und dem Vergleichsglied 18a ein. Die
Ausgangsspannung dieses Regelverstärkers ist eine Gleichspannung, die der Regelabweichung
der Ständer-Blindleistung proportional ist.
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Diese Ausgangsspannung des Regelverstärkers. 18 bildet die eine Eingangsspannung
der drei Multiplikatoren 19. Die jeweils zweite Eingangsspannung dieser Multiplikatoren
ist über den Hilfstransformator 11 dem Drehstromnetz R, S. T entnommen. Die Ausgangsspannungen
der Multiplikatoren 14, die das System R", S", T" abgeben, sind demnach netzfrequente
Wechselspannungen, deren Amplitude der Regelabweichung der Blindleistung proportional
ist. Ihre Phase ist jedoch infolge der primären Dreiecksschaltung des Transformators
Il gegen das System R', S', T' um 90° versetzt.
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Aus diesen Spannungen des Systems R", S", T" sind wieder entsprechende
Spannungen der Schlupffrequenz zu bilden. Hierzu sind diese den dreimal drei Multiplikatoren
20, 21, 22 zugeführt, denen außerdem wieder die Wechselspannungen des Systems R,
S" T, zugeleitet sind. Je drei dieser Multiplikatoren sind wieder ausgangsseitig
in Reihe geschaltet. Die sich ergebenden Summenspannungen sind nach Frequenz und
Phasenlage den. drei Phasen des Läufers entsprechende Abbilder der Blindkomponente
der Läuferströme. Ihre Amplitude, die den erforderlichen Steuereingriff zur Erzielung
der gewünschten Soll-Blindleistung bestimmt, stellt sich auf Grund der Zusammenwirkung
mit dem weiteren Regler so ein, daß die Summenspannungen den Sollwert der Blindkomponente
der Läuferströme ergeben.
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Die je zwei Spannungen der Multiplikatoren 1.4, 20 bzw. 15, 21 bzw.
16, 22 werden nun ebenfalls summiert und einem aus drei Einzelreglern bestehenden
Regler mit den Regelverstärkern 23 und den Vergleichsgliedern 23a zugeleitet. Die
dem gleichen Regler 23 zugeführten Strom-Istwerte, die mit den vorgenannten Strom-Sollwerten
zu vergleichen sind, sind den Stromwandlern 7 als stromproportionale Spannungen
entnommen.
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Durch diesen Regler 23, 23a ist der der Regelung der Wirk- und Blindkomponente
der Läuferströme
dienende Regelkreis geschlossen. Die aus den Regelabweichungen
des Reglers 23, 23a gebildeten Stellgrößen sind einem Gittersteuergerät 24 zugeführt,
das die zur Steuerung des Umrichters 2 erforderlichen Gitterspannungen herstellt.
Durch diese Steuerung des Umrichters wird jede Abweichung der Wirk- und Blindkomponente
der Läuferströme von den jeweils vorgegebenen Sollwerten so lange nachgeregelt,
bis der Regelkreis zur Ruhe kommt. Die hierbei wirksamen Regler 1.2, 12a, 18, 18
a und 23, 23 a können natürlich zur Erzielung der erforderlichen Stabilität des
Regelkreises und eines bestimmten Regelverhaltens in an sich bekannter Weise mit
Zeitgliedern versehen sein.
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Die Multiplikatoren der Regeleinrichtung können auf verschiedene Weise
gebildet sein. Neben den beispielsweise erwähnten Haugeneratoren gibt es eine ganze
Reihe von Einrichtungen, die eine Multiplikation zweier Größen bewirken. So gibt
es Anordnungen mit elektrischen Maschinen, deren Erregerstrom beispielsweise den
einen Faktor der Produktbildung bildet und die mit einer Drehzahl angetrieben sind,
die dem anderen Faktor entspricht, im vorliegenden Fall der Wechselspannungsamplitude.
Außerdem sind Drehfeldsysteme, die auch als. induktive Geber bezeichnet sind, zur
Anwendung gekommen. Diese Anordnungen sind indessen verhältnismäßig träge und daher
weniger geeignet. Unter den neueren trägheitslos arbeitenden Verfahren oder Einrichtungen
seien außer den bereits erwähnten Haugeneratoren das sogenannte Zweiparabelverfahren,
ferner Potentiometer mit Servoantrieb, das Impulsmodulationsverfahren und die Hyperbelfeld-
und die Kreuzfeldröhre genannt. Unter diesen Einrichtungen, die alle der Multiplikation
zweier Größen dienen, ist die erstgenannte, mit Zweiparabelverfahren bezeichnete
Einrichtung besonders vorteilhaft. Sie gründet sich auf die mathematische Beziehung
(a-, b)z_(a_b)2-4 ab. Aus den beiden mit a und b bezeichneten Eingangsgrößen
des Multiplikators werden zunächst die Größen a+b und a-b gebildet und diese in
sogenannten Funktionsbildern mit quadratischer Kennlinie quadriert. Die Differenz
der Ausgangsgrößen der Funktionsbilder ergibt dann, mit dem Faktor 0,25 multipliziert,
das Produkt a-b. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, daß die Multiplikation mit großer
Geschwindigkeit ausführbar ist und die Einrichtung in kleinen Abmessungen herstellbar
ist.
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Bezüglich der Regelung der Drehzahl sei noch erwähnt, daß es sich
empfiehlt, den Schlupf so klein zu halten, daß im Läuferkreis nur relativ kleine
Spannungen induziert werden, indessen noch so groß zu wählen, daß der Umrichter
eine hinsichtlich der Erwärmung seiner Entladungsventile günstige Strombelastung
erfährt.