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Vorrichtung zum Abschalten von Drehstromverbrauchern bei unsymmetrischen
Änderungen der Phasenspannungen des Speisenetzes Die Erfindung bezieht sich auf
eine Vorrichtung zum Abschalten von Drehstromverbrauchern bei unsymmetrischen Änderungen
der Phasenspannungen des Speisenetzes. Solche Änderungen können durch Ausfall einer
Phase, d. h. bei Absinken des Spannungswertes dieser Phase bis unter einen bestimmten,
noch zulässigen Wert, durch Schadhaftwerden von Sicherungen, durch Kurzschlüsse,
Leitungsunterbrechungen, durch zu großen Kontaktbrand der zugehörigen Schalter,
durch unsymmetrische Netzbelastungen u. dgl. hervorgerufen werden.
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Unsymmetrische Änderungen der Phasenspannungen verursachen entsprechend
ungleichmäßige Belastungen der drei- oder einphasig an das Netz angeschlossenen
Verbraucher und können so erhebliche Störungen, z. B. Überhitzungen und Zerstörungen
der Verbraucherleiter- und -widerstände zur Folge haben.
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Bei einphasigem Lauf von dreiphasigen Drehstrommotoren kann beispielsweise
der Motor weiterlaufen, und die gesunden Phasen bauen mit dem rotierenden Anker
zusammen ein Hilfsdrehfeld auf. Die hierbei auftretende Hilfsphasenspannung kann
zwar je nach der vorliegenden Belastung den 0,7- bis 0,85fachen Wert der Normalspannung
erreichen, jedoch bewirkt die auf diese Weise durch die beiden anderen Phasenspannungen
gebildete Hilfsspannung die bereits erwähnte Überlastung des Stromverbrauchers.
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Es sind bereits mehrere Anordnungen zum Schutz von Verbrauchern bekannt.
Eine bekannte Anordnung, die dem Auslösen eines Motorschalters bei einphasigem Betrieb
dient, weist einen Sternpunkt des Netzes und einen künstlichen Sternpunkt des Verbrauchers
und eine Hilfserde auf. Abgesehen davon, daß mindestens zwei räumlich getrennte
Meßstellen vorhanden sein müssen, tritt hier der Nachteil auf, daß bei Erdunsymmetrie
einer Phase, die keinen Phasenausfall darstellt, sowie bei kurzzeitigen, z. B. durch
Einschalten eines Schweißgenerators oder bei Einschalten eines Motors über ungleich
justierte Schaltelemente hervorgerufenen Netzunsymmetrieen der Schalter sofort ausgelöst
wird.
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Die gleichen Nachteile haften auch einer anderen Schutzschaltung an.
Auch bei ihr sind zwei räumlich getrennte Meßstellen vorhanden, ein künstlicher
Sternpunkt am Netz und ein Nullpunkt des Verbraucherspannungssystems. Diese Schutzschaltung
ist nur bei Phasenausfall bzw. Netzunsymmetrie zwischen dem Netzanschluß des künstlichen
Nullpunktes des Netzes und dem Netzanschluß des künstlichen Nullpunktes des Stromverbrauchers
wirksam. Zur Überwachung von außerhalb dieses Abschnittes liegenden Leitungsstrecken
auf Phasenausfall muß die am Netz liegende Meßstelle möglichst weit vom Verbraucher
angeordnet werden, so daß entsprechend lange Hilfsleitungen erforderlich werden.
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Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung, die der Registrierung bzw.
Kompensation von Erdschlüssen bzw. der Drosselung von Fehlerströmen dient, muß der
Verbrauchersternpunkt geerdet sein, was nicht üblich ist. Diese Vorrichtung, die
den bei Phasenausfall auftretenden Fehlerstrom mit Hilfe von Thyratronen bzw. Heißkathodenröhren
begrenzt, benötigt im übrigen außer dem Sternpunkt des Verbrauchers mehrere in Stern
geschaltete Stromwandler-Netzanschlüsse, einen weiteren Sternpunkt und einen Erdanschluß.
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Endlich ist noch eine Schutzanordnung bekannt, die wiederum die Anschlüsse
von einen künstlichen Nullpunkt bildenden Reaktanzen sowie den Anschluß am Sternpunkt
des Verbrauchers bzw. zu drei Reaktanzen mit einem Sternpunkt führende Mittenanschlüsse
von in Dreieck geschalteten Wicklungen des Stromverbrauchers benötigt. Dieser muß
also einen zugänglichen Sternpunkt oder Mittenanschlüsse zu den Wicklungen besitzen.
Bei dieser bekannten Anordnung ist daher eine zusätzliche Verbindung vom Stromverbraucher
zum Schutzsystem erforderlich. Es ist aber erwünscht, Schutzanordnungen ohne weiteres
nachträglich an jeden handelsüblichen Verbraucher anschließen zu können.
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Weiterhin werden bei der letztgenannten bekannten Anordnung nicht
die Grundspannungen, sondern die dritten Harmonischen der Grundspannungen
zum
Vergleich herangezogen, und eine Verringerung des Stromes der dritten Harmonischen
bewirkt das Auslösen eines Schaltrelais. Dieses System arbeitet deshalb nicht sicher
genug.
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Alle vorerwähnten Anordnungen können ebenso wie andere bekannte Schutzvorrichtungen,
z. B. elektromagnetische oder thermische, unmittelbar an oder bei Stromverbrauchern
angeordnete Relais, nur jeden Stromverbraucher für sich gegen Schäden schützen.
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Demgegenüber zielt die Erfindung darauf ab, einen oder mehrere Drehstromverbraucher,
die an einem Netzabschnitt angeschlossen sind, gleichzeitig gegen durch Netzunsymmetrieen
hervorgerufene Schäden zu schützen und hierbei ohne künstliche Sternpunkte der Verbraucher
und ohne Leitungen von dem oder den Verbrauchern zum Schutzgerät auszukommen.
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Unter Berücksichtigung des vorstehend geschilderten Standes der Technik
geht die Erfindung von Vorrichtungen zum Abschalten von Drehstromverbrauchern bei
unsymmetrischen Änderungen der Phasenspannungen des Speisenetzes mittels eines zwischen
künstliche Sternpunkte von zwei Meßanordnungen geschalteten Schaltrelais aus, bei
denen eine Meßanordnung aus drei in Stern an die Phasenleiter angeschlossenen komplexen
Widerständen besteht, während die andere Meßanordnung aus drei in Dreieck geschalteten
Leitergruppen besteht, die komplexe Widerstände enthalten und zum künstlichen Sternpunkt
führende Anzapfungen aufweisen.
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Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Leitergruppen der
zweiten Meßanordnung aus je einem Paar von in Reihe geschalteten komplexen Widerständen
bestehen, unabhängig vom Drehstromverbraucher in Dreieck unmittelbar an die Phasenleiter
angeschlossen sind und an den Trennstellen der Widerstände jedes Paares von komplexen
Widerständen über Gleichrichter zum künstlichen Sternpunkt führende Anzapfungen
aufweisen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sonach unabhängig von den Stromverbrauchern
anzuordnen, und sie bringt, wie weiter unten näher erläutert wird, bei Auftreten
von Netzunsymmetrieen, insbesondere bei Phasenvertauschungen, so- starke Erhöhungen
der Meßspannungen mit sich, daß der gefährdete Netzteil rasch mit Sicherheit abgeschaltet
wird. Um eine ruckartige Abschaltung zu erzielen, um also ein unsicheres und schleichendes-
Arbeiten des Schalters oder Relais zu vermeiden, wird vorzugsweise der künstliche
Sternpunkt der zweiten Meßanordnung mit dem Schaltrelais über ein bei einer bestimmten
Überspannung ansprechendes elektronisches Kipprelais, beispielsweise eine Glimmröhre,
eine Kaltkathodenröhre od. dgl. verbunden.
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Zweckmäßig ist parallel zum elektronischen Kipprelais ein Ladekondensator
geschaltet, der verhindert, daß das Relais bereits bei ungefährlichen kurzzeitig
auftretenden Spannungsunsymmetrieen auslöst.
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Endlich ist es von Vorteil, den Auslösepunkt des Kipprelais mit Hilfe
eines Potentiometers einstellbar zu machen, um die Vorrichtung unterschiedlichen
Verhältnissen anpassen zu können.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
beschrieben, die in den Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigt F i g. 1 ein
Schaltschema einer erfindungsgemäßen Anordnung für dreiphasig betriebene Drehstromverbraucher,
F i g. 2 ein genaueres Schaltbild der gleichen Anordnung wie F i g. 1, F i g. 3,
4 und 5 vektorielle Darstellungen der bei dreiphasigem Betrieb auftretenden Spannungsverhältnisse,
F i g. 6 ein Schaltschema einer erfindungsgemäßen Anordnung für einphasig betriebene
Drehstromverbraucher, F i g. 7 ein Schaltschema einer Weiterbildung des Auslöseteils
und F i g. 8 ein Schaltschema einer anderen Weiterbildung des Auslöseteils.
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Gemäß der in F i g. 1 schematisch dargestellten Anordnung für dreiphasigen
Betrieb sind ein Meßteil a mit künstlichem Nullpunkt, ein Auslöseteil
b
und ein zweiter Meßteil c mit künstlichem Nullpunkt vorhanden. Im Meßteil
a sind die drei Netzphasen R, S, T an die drei Ecken eines aus je zwei komplexen
Widerständen 1, 2 bzw. 3, 4 bzw. 5, 6 bestehenden Dreiecks angeschlossen. Die Widerstandswerte
der Widerstände 1, 3, 5 einerseits und die der Widerstände 2, 4, 6 andererseits
sind untereinander gleich, jedoch differieren die Werte der Widerstände 1, 3, 5
von denen der Widerstände 2, 4, 6 um ein bestimmtes, der Zündspannung des Auslöseteils
b entsprechendes Maß.
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Die Verbindungsleitungen der drei Widerstandsgruppen 1, 2; 3, 4; 5,
6 sind über je einen Gleichrichter 7 an einen Meßpunkt 8 angeschlossen, der über
eine Leitung mit dem Anschlußpunkt 9 des Auslöseteils b verbunden ist.
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Der Auslöseteil b enthält eine Glimmröhre 10 in Hintereinanderschaltung
mit einem Schaltrelais 11, das unmittelbar oder über einen Steuerstromkreis auf
einen Leistungsschalter einwirkt. Zur Glimmröhre 10 und zum Schaltrelais 11 ist
ein Ladekondensator 13 parallel geschaltet, der kurzzeitige Spannungsänderungen
auffängt, die bei zeitweiligen unsymmetrischen, insbesondere infolge der Anlaufspitzen
von Drehstrommotoren auftreten können und wegen ihres raschen Abklingens unschädlich
sind.
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Der Meßteil c besteht aus drei gleichen komplexen Widerständen 15,
die in Stern an die drei Netzphasen R, S, T angeschlossen sind und deren
Sternpunkt 16 mit dem zweiten Anschlußpunkt 17 des Auslöseteils b verbunden ist.
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F i g. 2 zeigt die gleiche Schaltanordnung wie F i g. 1 in etwas deutlicherer
Darstellung im Zusammenhang mit einem Dreiphasenmotor. Die beiden Meßstellen sind
parallel zueinander über Anschlußpunkte 29, 30, 31 an die über Sicherungen 36 mit
den Netzphasen R, S, T verbundenen Zuleitungen U, V, W
eines in Stern
geschalteten Drehstrommotors 37 bzw. eines in Dreieck geschalteten Drehstrommotors
38 angeschlossen.
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Das Schaltglied 12 des Schaltrelais 11 steht einerseits über einen
Anschlußpunkt 32 mit der Netzphase T und andererseits über einen Anschlußpunkt 33
und über einen Tastschalter 34 mit den Betätigungsspulen eines Leistungsschalters
35 in Verbindung.
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Bei Betätigung des Tasters 34 durch das bei Zünden der Glimmröhre
10 ausgelöste Relais 11 wird in bekannter Weise das Schütz 35 entregt, das den Motor
37 bzw. 38 vom Netz trennt. Das Relais 11 spricht an, sobald eine der Netzphasen
beispielsweise durch Leiterbruch oder eine der Zuleitungen U, V, W infolge
Durchschmelzens einer der Sicherungen 36
unterbrochen wird, da hierbei
zwischen den Klemmen 30, 29 und 30, 31 eine Spannungsdifferenz auftritt.
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Auf Grund des unterschiedlichen Aufbaues der beiden Meßanordnungen
der Schutzvorrichtung tritt bei Phasenausfall oder Phasenvertauschung zwischen den
Meßpunkten 8, 9 und den Meßpunkten 16, 17 eine gegenüber dem normalen symmetrischen
Betrieb erhöhte Spannung auf, die bei einem vorbestimmten, der Zündspannung der
Glimmröhre entsprechenden Wert die Auslösung des Relais 11 und damit die Abschaltung
des Schützes 35 bewirkt.
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Wodurch die vorstehend erwähnte Spannungserhöhung hervorgerufen wird,
sei an Hand der Vektordiagramme nach den F i g. 3 bis 5 kurz erläutert.
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In F i g. 3 sind in starken Linien die im Normalfall, d. h. bei Spannungssymmetrie
des Netzes, vorhandenen Phasenspannungen nach Größe und Richtung dargestellt, und
zwar U 1 zwischen den Phasenleitern R und S, Anschlußpunkte 29, 30,
U 2 zwischen den Phasenleitern S und T, Anschlußpunkte 30, 31, und U3 zwischen
den Phasenleitern T und R, Anschlußpunkte 31, 29.
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Über der Phasenspannung U 1 sind in dünneren Linien rechtwinklig zueinander
die Teilerspannungen U11 und U12 eingezeichnet, deren Größe durch die zwischen den
Anschlußpunkten 29, 30 liegenden komplexen Widerstände 1 und 2 bestimmt ist. Die
sich am Schnittpunkt der beiden Teilerspannungen U 11 und U12 ergebende
Meßspannung am Meßpunkt 17 (= MP) nach dem Sternpunkt 8 ist nach Größe und
Richtung als U13 eingetragen.
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In gleicher Weise sind über der Phasenspannung U2 rechtwinklig zueinander
die Tellerspannungen U21 und U22 eingezeichnet, die von den zwischen den Anschlußpunkten
29 und 31 liegenden komplexen Widerständen 3 und 4 herrühren. Die sich hierbei ergebende
Meßspannung ist mit U23 bezeichnet.
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Ebenso sind über der Phasenspannung U3 rechtwinklig zueinander die
Tellerspannungen U31 und U32 eingezeichnet, die von den zwischen den Anschlußpunkten
30 und 31 liegenden komplexen Widerständen 5 und 6 herrühren und die Meßspannung
U33 ergeben.
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Die drei Meßspannungen U13, U23 und U33 stehen über die Gleichrichter
7, dem Sternpunkt 8 und dem Meßpunkt 17 als wellige Gleichspannung an und laden
den Kondensator 13 auf. Die an diesem anstehende Gleichspannung entspricht dem Scheitelwert
der Spannungen U13, U23 und U33,
der im Normalfall nicht ausreicht,
um die Glimmröhre 10 zu zünden.
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In F i g. 4 ist in starken Linien ein Spannungsdreieck U1',
U2', U3' dargestellt, das bei Spannungsunsymmetrie entsteht, und zwar ist
beispielsweise angenommen, daß die Phasenspannung der Phase S am Anschlußpunkt 30
um einen bestimmten Betrag kleiner geworden ist. Dadurch ist an die Stelle des Anschlußpunktes
30 der Anschlußpunkt 30' getreten, und der Meßpunkt MP = 17 hat sich nach
MP' = 17' verschoben. Über der unveränderten Phasenspannung U2 sind die an den komplexen
Widerständen 3 und 4 anstehenden Tellerspannungen U21 und U22 nach Größe und Richtung
unverändert geblieben. Jedoch ist infolge der Verschiebung von Punkt 17 nach Punkt
17' die Meßspannung U 23' größer als die Meßspannung U23 nach F i g. 12. Zeichnet
man über der Spannung U l' rechtwinklig zueinander die von den komplexen Widerständen
1, 2 herrührenden Teilerspannungen U 11' und U12' ein, dann zeigt sich, daß die
sich hierbei ergebende Meßspannung U13' größer ist als die Meßspannung U
13 nach F i g. 12.
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Zeichnet man über der Spannung U3' rechtwinklig zueinander die von
den komplexen Widerständen 5, 6 herrührenden Teilerspannungen U31' und U32' auf,
dann ergibt sich eine ebenfalls vergrößerte Meßspannung U33'.
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Bei Absinken der Spannung einer Phase S am Anschlußpunkt 30' (statt.
30) vergrößern sich also die Meßspannungen U13' und U33' und damit auch der oder
die Scheitelwerte der zwischen den Punkten 8 und 17 von F i g. 11 anstehenden welligen
Gleichspannung.
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Es liegt auf der Hand, daß man durch entsprechende Wahl des Arbeitspunktes
der als Glimmlampe dargestellten Kippstufe erreichen kann, daß sie bei den bei Normalbetrieb
auftretenden Meßspannungen gemäß F i g. 3 nicht anspricht, wohl aber bei bestimmter
Vergrößerung der Meßspannungen gemäß Fig.4.
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In F i g. 4 ist zusätzlich der Fall dargestellt, der eintritt, wenn
die Phasendrehung der Phase S zu Null wird, d. h., wenn diese Phase S völlig ausfällt.
Dann verschiebt sich der Meßpunkt MP = 17 nach MP" = 17". Die Teilerspannungen
U21 und U22
über U2 bleiben bestehen, während die Tellerspannungen über U1
und U3 verschwinden. Es ergibt sich also bei Ausfall einer Phase, hier der Phase
S, wiederum eine stark erhöhte Meßspannung U23".
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In F i g. 5 ist am Beispiel der Phase R die Wirkung der Phasenvertauschung,
d. h. der Änderung des Drehsinnes des angeschlossenen Netzes dargestellt. Links
ist das Spannungsdreieck U1, U11, U12 mit der Meßspannung U13 dargestellt.
Liegt nun die Phase R statt am Anschlußpunkt 29 am Anschlußpunkt 31, dann
ergibt sich das rechts gezeichnete Spannungsdreieck U1", U11", U12" mit der stark
erhöhten Meßspannung U13*.
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Aus den vorstehend erläuterten Vektordiagrammen von drei typischen
Fällen von Netzunsymmetrien geht eindeutig hervor, daß bei der erfindungsgemäßen
Anordnung durch Netzunsymmetrien derart starke Erhöhungen der Meßspannungen auftreten,
daß die am betreffenden Netzteil angeschlossenen Drehstromverbraucher bzw. diese
Netzteile mit Sicherheit im Gefahrfalle abgeschaltet werden.
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Das gilt auch für die weiteren Ausgestaltungen nach den F i g. 6 bis
B.
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Bei der Anordnung nach F i g. 6, die für einen einphasigen Drehstromverbraucher
bestimmt ist, stimmen der nicht näher dargestellte Auslöseteil und die künstliche
Nullpunktanordnung mit der nach F i g. 1 überein. Dagegen weicht der Meßteil naturgemäß
ab, und zwar insofern, als die Verbraucherphase R und die dem positiven Drehfeld
folgende Phase S über zwei in ihren Widerstandswerten voneinander abweichende komplexe
Widerstände 1, 2 miteinander verbunden sind und der als Meßpunkt zu betrachtende
Verbindungspunkt 18 über einen Gleichrichter 7 zum Anschlußpunkt 9 des Auslöseteiles
geführt ist.
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Gemäß F i g. 7 sind parallel zur Hintereinanderschaltung der Glimmröhre
10 und des Schaltrelais 11 ein Potentiometer 1.9 und ein Festwiderstand 20
geschaltet.
Außerdem ist wieder ein parallelgeschalteter Kondensator 14 vorgesehen. Mit Hilfe
dieser Anordnung kann man ohne Änderung der Widerstandswerte der komplexen Widerstände
1, 2 bzw. 3, 4 bzw. 5, 6 den Auslösepunkt auf einen wählbaren Wert der Differenzspannung
einstellen.
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Eine noch vorteilhaftere Lösung hierfür zeigt F i g. B. Dort dient
als Gasentladungsröhre eine Relaisröhre 21 mit Zündelektrode 22. Parallel zur Hintereinanderschaltung
der Relaisröhre 21 und des Relais 11 liegen einerseits wieder ein Lade- und Verzögerungskondensator
23, andererseits zwei Festwiderstände 24, 25 und ein Potentiometer 26, dessen Abgriff
27 mit der Zündelektrode 22 verbunden ist. Parallel zum Abgriff 27 und dem Festwiderstand
25 liegt ein Kondensator 28, der als Lade- und Verzögerungsglied für die Zündelektrode
22 dient. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß sie eine größere Zeitkonstante
RC besitzt als die Anordnung nach F i g. 7 und daß das Potentiometer schwächer als
dort ausgelegt werden kann. Die Widerstände 24, 25 haben den Zweck, den Regelbereich
des Potentiometers 26 zu begrenzen.