DE1588159A1 - Steuervorrichtung fuer statische Stromkonverter - Google Patents

Steuervorrichtung fuer statische Stromkonverter

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Description

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. CURT WALLACH DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH »OQO1 59 DR. TINO HAIBACH
8 MÜNCHEN 2, 2.Juni I967
UNSER ZEICHEN. IO868 -
The English Electric Company Limited, London, England.
Steuervorrichtung für statische Stromkonverter
Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für statische Konverter, d.h. elektrische Geräte, die eine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom bewirken.
Die Erfindung geht aus von einer Steuervorrichtung zur Lieferung von ZUndimpulsen an eine Steuerstufe eines statischen Konverters zur Umwandlung elektrischer Energie zwischen Viechselstrom- und Gleichstromsystemen mit einer Überwachungsstufe, die eine einem der beiden Systeme eigene Größe überwacht und hiervon ein dieser Größe proportionales Signal ableitet, wobei eine Vergleichsstufe dieses Signals mit einem Bezugssignal vergleicht.
Gemäß der Erfindung ist dabei die Anordnung derart getroffen, daß Steuermittel den Zündwinkel oC der Impulse in Abhängigkeit von der Differenz zwischen diesen Signalen in einem Sinn verändert, gemäß welchem die Differenz nach Null vermindert v/ird, wobei die Steuervorrichtung eine Begrenzerstufe besitzt, um die maximale Geschwin-
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digkeit, rait der der Zündwinkel nach Null verändert werden kann, auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen, so daß das resultierende Ansteigen der Ausgangsgleichspannung des Konverters gesteuert und die Tendenz der Spannung vermindert wird,,gemäß plötzlichen Änderungen der Betriebsbedingungen überzuschwingen.
Der Zündwinkel oC ist als jener Betrag in elektrischen Graden definiert, um den der Zündzeitpunkt irgendeiner gesteuerten Anordnung z.B. eines Quecksilberventils oder eines Thyristors nach dem Augenblick der natürlichen Kommutierung des Ventiles verzögert wird, d.h. nach jenem Augenblick, bei dem das Anodenpotential über das Kathodenpotential ansteigt.
Diese Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit des Zündwinkels wird nur dann aufgeprägt, wenn diese Änderung im negativen Sinn erfolgt, während eine Änderung im positiven Sinne (Winkel
oC steigt an) unbegrenzt ist oder wenigstens nicht auf einen Wert begrenzt wird, der niedriger ist als jener, der einer Änderungsgeschwindigkeit des Zündwinkels von 36O0 (elektrisch) pro Periode der Steuerfrequenz ist.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar unter normalen Startbedingungen und während einer plötzlichen Leistungsumkehr in Hochspannungsgleichstromübertragungssystemen, wo die Tendenz
wegen
besteht, daß die Netzspannung «Sföpataiä der Verteilten Induktivitäten und Kapazitäten der Leitungen überschwingt. Insbesondere
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müssen die Leitungen so isoliert werden, daß sie dieser Spannung widerstehen können und diese Spannung kann doppelt so groß sein wie die Spannung im eingeschwungenen Zustand und sie kann
systemen
bei gewissen Komplexen/sogar höher liegen. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Systems werden die Anforderungen an die Isolation jedoch wesentlich geringer.
Machstehend werden AusfUhrungsbeispiele der Erfindung an Hand
der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: *
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild einer Hochspannungsgleichstromübertragungsleitung,
Pig. 2 ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems, Fig. 3 und k zwei verschiedene Ausführungsformen von Begrenzerstufen,
Flg. 5 ein Diagramm, das die Wirkung der Begrenzeretufen auf
die Ausgangsspannung veranschaulicht, Fig. 6 und 7 zwei Ausführung«formen, welche bei dem System nach Fig.2 Anwendung finden können, wobei ein Binzelgittersteuerkreis wahlweise an unterschiedliche Gruppen von Konverterventilen anschaltbar ist, die individuell gesperrt bzw. entsperrt werden können.
Im folgenden wird zunächst auf die Fig.l der Zeichnung Bezug genommen. Die Fig.l stellt ein Ersatzschaltbild einer typischen HochspannungsgleichstromUbertragungsleitung mit zwei Konvertern 1 und 2 dar. Der Konverter 1 wird von einem Wechselstromsystem
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gespeist und arbeitet als Oleichrichter und der Konverter 2 wird als Inverter betrieben und speist ein Wechselspannungssystem 4. Die Konverter sind je über Glättungsreaktanzen 6 an die Gleichstromleitung 5 angeschlossen.
Bei Anwendung eines Einzelgleichstromkabels kann die Leitung durch ihren Kapazitätswert repräsentiert werden und dies ist durch den Kondensator 7 in der Zeichnung veranschaulicht und dieser Kondensator bildet zusammen mit den Induktivitäten 6 eine Schwingschaltung mit einer ziemlich geringen Eigendämpfung.
Demgemäß kann der Fall eintreten, daß, wenn ein Konverter (Inverter) 2 infolge eines Fehlers bezüglich seines Kreises geöffnet wird und der Konverter (Gleichrichter) 1 bei dem NuIlzUndwinkel ( o£ =0) angeschaltet wird, wie dies normalerweise der Fall ist bei einfachen Negativrückkopplungssteuersystemen, dann *#£■&£& die Spannung über dem Gleichrichter auf einen Wert
/steigt
an, der etwa gleich dem maximalen Wert V ist, (V ist proportional cos (^ ) und die Netzgleichspannung wird anfänglich versetzt und steigt auf einen Wert von 2V an, bevor sie in Gestalt von Schwingungen auf den Wert V abfällt. Geringere Werte von SpannungsUberschreitungen können auftreten, wenn der Inverter bis zu einem gewissen Grad leitfähig bleibt.
Wie erwähnt, kann dieser Spannungsüberschuß die Isolation beschädigen und diese Wirkung ist besonders schädlich, soweit es sich um Gleichstromkabel handelt, da sie nicht wirtschaftlich
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so ausgelegt wenden können, daß sie derartigen Spannungsstößen standhalten können.
Gemäß der Erfindung wird ein Steuersystem vorgesehen, das eine Stufe besitzt, die den Zündwinkel der Konverterventile einer Schaltung regelt, die die maxiaal mögliche Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung auf einen vorbestimmten Wert begrenzen, wenn diese Änderung in einem Sinne erfolgt, durch den der Zündwinkel vermindert wird. Demgemäß kann der ZUndwinkel nicht sofort beim Anschalten auf Null vermindert werden, trotz der Neigung der Konvertergleichspannung schnell anzusteigen, während bei Werten dieser Spannung innerhalb des normalen Bereichs eine derartige Beschränkung auf die Einstellung des Zündwinkels nicht stattfindet.
Pig.2 zeigt ein Blockschaltbild des Systems, Ein Spannungswandler 8 speist einen Gittersteuerkreis 9 für die Konverterventile. Die Phase der Gitterimpulse für die Ventile wird durch eine Schaltung 10 in Beziehung zur Phase des Wechselstromsystems J5 gesteuert und die Zündwinkelverzögerung hängt von der Ausgangsspannung dieser Schaltung 10 ab.
Im einzelnen überwacht ein Gleichstromwandler 12 den Netzstrom und das Ausgangssignal wird dem Eingang eines betrieblichen Gleichrichters 13 über einen Widerstand Rl zusammen mit einem Strombezugssignal zugeführt, das über einen Widerstand R2 geliefert wird. Dieses Bezugssignal wird als Spannung Über dem Pofcen-
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tiometer 14 abgenommen, wobei die Polarität von der Stellung (A oder B) abhängt, die der Schalter 15 einnehmen kann. Der Eingang des betriebsmäßigen Verstärkers wird demgemäß durch die Spannungsdifferenz zwischen den Signalen, die Über die Widerstände Rl und R2 zugeführt werden, gebildet.
Der Ausgang des betriebsmäßigen Oleichrichters 13 wird einer Begrenzerstufe l6 zugeführt, deren Ausgang an eine Gittersteuerstufe 9 angelegt wird.
Die Begrenzerstufe 16 ist derart ausgelegt, daß die maximal mögliche Änderungsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung im Sinne einer Verminderung des Zündwinkels oC auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird, während im entgegengesetzten Sinn die Änderungsgeschwindigkeit der Spannung nicht begrenzt wird oder wenigstens nicht auf einen Wert begrenzt wird, der geringer ist als jener, der einer Änderungsgeschwindigkeit des Zündwinkels von J6O elektrischen Graden pro Periode der Wechselspannungsquelle entspricht. Diese letztgenannte Beschränkung soll gewährleisten, daß bei einem Kurzschluß des Gleichstromnetzsystems das Steuersystem nicht daran gehindert wird, den Zündwinkel auf den maximal theoretischen Wert von 36O0 pro Periode ansteigen zu lassen, um vorübergehende Überströme zu vermindern.
Zwei Arten von Begrenzungsstufen sind in Fig.3 und 4 dargestellt. Es soll angenommen werden, daß der Zündwinkel oC , der durch
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die Stufe 9 erzeugt wird, linear proportional seinen Steuerspannungseingang Vn von der Stufe 10 ist, d.h. OC = KV\°·,
C C
wobei K eine Konstante darstellt. Die Stufe 9 könnte jedoch ebensogut eine unterschiedliche Charakteristik haben unter der Voraussetzung, daß OC wenigstens progressiv durch V
gesteuert wird, d.h. cos <^ proportional V in dem Bereich oC » ο - i8o°.
Gemäß Pig.3 weist die Geschwindigkeitsbegrenzerstufe eine Diode Dl auf, die in Reihe mit dem Eingangs-/Ausgangspfad geschaltet ist,und außerdem einen Kondensator CJ, der an dem Ausgangskreis liegt. Ein Widerstand R5 ist an die negative Klemme einer Spannungsquelle Vg angeschlossen. Bei dieser AusfUhrungsform sind Spannung Vp und ohmscher Widerstandswert des Widerstandes R5 genügend hoch, um zu gewährleisten, daß der Strom I1 im wesentlichen konstant ist bei einem normalen Bereich von Vc> Demgemäß wird bei Eirgingsspannungen V1 mit negativer Änderungsgeschwindigkeit von weniger als I1ZCJ Volt pro Sekunde die Ausgangsspannung Vn genau der Eingangsspannung folgen und der Spannungsabfall in der Diode Dl ist vernachlässigbar. Pur höhere negative Änderungsgeschwindigkeiten ist der Ausgang auf diesen Viert I1ZCJ begrenzt und demgemäß wird &oC' Zdt auf KI1ZCJ Grad pro Sekunde begrenzt.
Bei einer positiven Änderungsgeschwindigkeit ist im wesentlichen keine Begrenzung vorgesehen, vorausgesetzt daß die Ausgangsimpedanz des betriebsmäßigen Verstärkers IJ genügend niedrig ist.
009821/0712 u/'
Gemäß Fig.4 weist die Begrenzerstufe 2 Widerstände B.6 und R7, eine Diode D2, die an die positive Klemme V-, geschaltet ist, und einen Integrator auf, der einen Verstärker 17 mit hohem ' Verstärkungsgrad und zwei parallel geschaltete Kondensatoren C4 besitzt. Bei dieser Schaltungsanordnung hat das Steuersystem einen Fehler von Null im eingeschwungenen Zustand. Insbesondere bei einer positiven Eingangsspannung V, bis herauf zu V, (r6 + R7)/R7 und für einen negativen Eingang folgt der Ausgang Vn dem Eingang nach einer Laplace-Funktion.
c 1 + R7)pC4
Für größere positive Werte von V^ führt die Diode D2 zu der Spannung V, und der Ausgang wird begrenzt auf einen Wert von -Vy^CkKJ Volt/Sekunde. Demgemäß wird die Zündwinkelgeschwindigkeit d oC /dt auf einen negativen Wert begrenzt, der KVyO4R7 Grad/Sekunde nicht überschreitet.
Bei der Beschreibung der Arbeitsweise des Systems nach dem Anlauf soll angenommen werden, daß der ZUndwinkel für den Konverter 2 in diesem Augenblick auf Werte über 90° beschränkt ist, so daß er nur als Inverter arbeiten kann, nicht aber als Gleichrichter.
Vor dem Anlauf wird der in dem dem Konverter 1 zugeordneten Kreis liegende Schalter 15 in der Stellung B gehalten, d.h. an einer Spannungsquelle mit negativem Potential, so daß der Verstärker 15 derart gesättigt ist, daß der maximal mögliche Wert von V_ erhalten wird und demgemäß der größtmögliche ZUndwinkel bei voller Inversion. Demgemäß, da beide Konverter 1 und
009821/0712 #/#
2 als Inverter zu arbeiten suchen, kann kein Gleichstromfluß stattfinden und Leckströme gelangen in die Nullgleichspannungsleitung.
Zum Anlauf wird der Schalter 15 in die Schaltstellung A umgeschaltet und wenn keine Begrenzerstufe 16 vorgesehen wäre, dann würde der Zündwinkel auf Null springen ( oC = 0) und die gleichgerichtete Ausgangsspannung würde unmittelbar darauf in der beschriebenen Weise ansteigen. Die Wirkung dieser Begrenzerstufe besteht darin, die gleichgerichtete Ausgangsspan- | nung nur langsam ansteigen zu lassen. Diese Wirkung ist deutlicher aus Pig.5 ersichtlich, wo do£ /dt -75° pro Periode beträgt und all/Gleichrichter EMK folgt der Kurve Α',Β',Ο*. Die tatsächliche Klemmenspannung des Gleichrichters entspricht nur den positiven Werten dieser EMK und folgt der Kurve D*,B*, C*. Demgemäß steigt, wenn die Gleichrichterspannung sich ihrem .vollen positiven Wert nähert, der Inverterstrom an und das System stellt sich schließlich auf einen Strom ein, der im wesentlichen proportional jenem des Potentiometers 14 ist, ' wenn das Fehlersignal zwischen dieser Einstellung und der Rückkopplung von dem Transformator 12 auf Null vermindert wird.
Durch Begrenzung der Änderungsgeschwindigkeit d oC/dt kann die Steigung der Kurve D',B1,C1 so klein wie erforderlich gemacht werden und mit normalen Werten von Leitungsinduktivit&ten ' und Kapazitäten ist es möglich, einen kritischen Wert von '
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d ού /dt zu ermitteln, bei dem die Gleichstromleitungsspannung nicht mehr überschwingt. In gewissen Fällen 1st es jedoch erwünscht, ein geringes Überschwingen von z.B. 10# der Oleichstromlei tungsspannung zuzulassen, um einen schnelleren Aufbau der Leistungsübertragung zu erhalten. Andererseits kann die Anordnung bei Leitungen mit hohem Kapazitätswert C, in denen die Stromeinstellung Id gering ist, so sein, daß nur der Anfangsteil der Konverter und Leitungsgieichspannung begrenzt wird, während der übrige Teil des Anstieges mit einer geringeren Geschwindigkeit von Id/C Volt/Sekunden auftritt, was niedriger ist als durch die Stufe 16 zugelassen und demgemäß findet kein Überschwingen statt.
Bei der Abschaltung des Systems wird der Schalter 15 in die Stellung B zurückgeführt, worauf sämtliche Ströme schnell auf Null vermindert werden. Wenn jedoch ein langsameres Abschalten erforderlich ist, um den Stoß im Wechselstromsystem zu vermindern, dann kann der Strom zuerst graduell auf Null durch Einstellung des Potentiometers 14 vermindert werden.
Es kann auch Vorsorge dafür getroffen werden, die Richtung des Leistungsflusses umzukehren, indem der Wert des Zündwinkels des Konverters 1 auf Werte über 90° begrenzt wird, so daß dieser nur als Inverter arbeiten kann und,indem diese Begrenzung
2
von dem Konverter/weggenommen wird und ein Steuersystem der beschriebenen Bauart dem Konverter 1 zugeordnet wird, kann die Umkehrung erfolgen ,
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Das System kann auch ausgedehnt werden, um zu verhindern, daß die Leitungsspannung über zwei oder mehrere in Reihe geschalteten Brückenkonverter übersohwingt, die entsperrt sind, d.h. jenen Betriebszustand bei Wiederanwendung der Gitterimpulse an den Ventilen in der Konvertergruppe eingenommen haben, die vorher abgesperrt war.
Die Arbeitsweise des Systems in dieser Betriebsart wird unter Bezugnahme auf Big. 6 beschrieben, in welcher zwei Konverterbrücken 18 und 19 in Reihe geschaltet sind, wobei jede durch ein Nebenschlußventil (nicht dargestellt) überbrückt sind und zwar immer dann, wenn einer der Oitterimpulsschalter 20,21 geöffnet wird, um den Gleichstromkreis zu erhalten. Ein Verstärker 22 ist zwischen die Stufe 10 und die Gittersteuerstufe 9 geschaltet und dieser Verstärker hat einen Eingangswiderstand r8 und einen Rückkopplungswiderstand R9 mit gleichen Widerstandswerten, so daß die wirksame Verstärkung dieses Verstärkers gleich der Einheit ist. Es wird daher eine Phasenumkehr eingeführt, die eine Korrektur durch Umkehr der Rückkopplung vom Stromwandler 12 und eine Umkehr von Dl und Vg (PIgO) erfordert
oder von D2 und V-,(Fig.4). Positive oder negative Oleichstrom-
' den
signale werden im Eingang dieses Verstärkers über einen Schalter 23 zugeführt, je nachdem, ob die Konverter als Gleichrichter arbeiten (Stellung A1) oder als Inverter, d.h. Wechselrichter (Stellung B1)· Diese Signale werden nach dem Schließen der Schalter 20 oder 21 zugeführt.
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Demgemäß hat die Entsperrung eines Konvertersatzes (dies wird durch Schließen eines der letztgenannten Schalter bewirkt) zur Folge, daß einfGleichstromsignal dem Verstärker 22 zugeführt wird und dadurch wird eine Stufenänderung im Zündwinkel cC hervorgerufen, der entweder von seinem vorhergehenden Wert ansteigt oder abfällt je nach der fat»MtM Polarität dieses Signals. Dadurch, daß die Größe dieser Stufenänderung so gewählt wird, daß die Leitungsgleichspannung vor und nach der Sperrung auf dem gleichen Wert bleibt, werden keine Störungen auf der Leitung erzeugt.
Wenn die Steuerschleife einen Integrator enthält, wie dies gemäß Fig.4 vorgesehen ist, kann eine andere Schaltung zur Entsperrung benutzt werden als jene, wie in Fig.7 dargestellt ist. Bei dieser Anordnung sind die Schalter 20 und 21 vorgesehen, um einen Impuls vorbestimmter Spannungs-Zeitfläche direkt dem Eingang des Integrators über eine RC-Schaltung RIO, C5 und R11,C6 zuzuführen. Der Wert der Kondensatoren wird so gewählt, daß die erforderliche Gesamtgleichstromänderung in V erzeugt wird und die Widerstände RIO und RIl sind notwendig, um zu verhindern, daß der Verstärker mit Stromimpulsen verdeckt wird, die größer sind als die, die er aufzunehmen in der Lage 1st.
Obgleich die gesteuerten Größen bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen Gleichströmgrößen waren, können stattdessen auch andere Parameter z.B. Gleichstromleistung oder die Frequenz eines Wechselstromsystems auf diese Weise gesteuert werden.
009821/0712 o , <. ^1 u #/*
Patentansprüche :

Claims (1)

  1. ! t> ö 8159
    Patentansprüche t
    \lj Steuervorrichtung zur Lieferung von Zündimpulsen an eine Steuerstufe eines statischen Konverters zur Umwandlung elektrischer Energie zwischen Wechselstrom- und Oleichstromsystemen mit einer Überwachungsstufe, die eine einem der beiden Systeme eigene Qröße überwacht und hiervon ein dieser Größe proportionales Signal ableitet, wobei eine Vergleichsstufe dieses Signal mit einem Bezugssignal vergleicht,
    dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel (9,10) den Zündwinkel q£ der Impulse in Abhängigkeit von der Differenz zwischen diesen Signalen in einem Sinn verändert, gemäß welchem die Differenz nach Mull vermindert wird, wobei die Steuervorrichtung eine Begrenzerstufe (16) besitzt, um die maximale Geschwindigkeit, mit der der Zündwinkel nach Null verändert werden kann, auf einen vorbestimmten Wert zu begrenzen, so daß das resultierende Ansteigen der Ausgangsgleichspannung des Konverters gesteuert und die Tendenz der Spannung vermindert wird, gemäß plötzlichen Änderungen der Betriebsbedingungen Überzuschwingen»
    2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrichtung die maximale Geschwindigkeit aufrechterhält, mit der der Zündwi^kel auf einen Wert von nicht weniger als 360° (elektrische Grade) pro Periode der Wechselstromfrequenz ansteigt» kann»
    009821/0712 , ,
    2. lyixffw na§h Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet , daß die Begrenzerstufe eine Diode (Dl) aufweist, die in Reihe mit dem Eingang geschaltet ist, und einen Kondensator (C3) zusammen mit einer Konstantgleichspannungsquelle im Nebenschluß zu dem Ausgang.
    Vorrichtung
    4. lysjtan nach den Ansprüchen 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzerstufe einen Integrator (17,C4) aufweist, der eine Bezugsspannungsquelle (V2) besitzt, die mit dem Eingang verbunden ist, so daß die Größe der Eingangsspannung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt wird.
    5. Vorrichtung ,nach den Ansprüchen 1 bis 4, zur Steuerung des Anlegens von Zündimpulsen an gesteuerte Einrichtungen in einem statischen Konverter, der wenigstens zwei Konvertergruppen aufweist, die miteinander in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuervorrichtung eine Schaltstufe (21,23) aufweist, die geaäß einer Konvertergruppe entsperrt wird, um den Ausgang von einer Begrenzerstufe einer Oleichspannung derartiger Polarität und Größe zuzuführen, daß die Tendenz der Ausgangsspannung gemäß dieser plötzlichen Änderung der Betriebsbedingungen! überzuschwingen, vermindert wird.
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    6. Vorrichtung nach Anspruch .4 zur Steuerung des Anlegens
    von Zttndimpulsen an gesteuerte Einrichtungen eines statischen Konverters, der wenigstens zwei Konvertergruppen besitzt, die in Reihe geschaltet sind,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Integrationsstufe (C5 RIO; C6,R11) aufweist, die gemäß einer Konvertergruppe entsperrt wird, um an den Eingang des Integrators in der Begrenzerstufe einen Impuls anzulegen, dessen Spannungs-Zeitfläche derart 1st, daß die Tendenz der Ausgangsspannung,gemäß dieser plötzlichen Änderung detf Betriebsbedingungen hinauszusohwingen, vermindert wird.
    7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachte Größe der Strom oder die Leistung eines Gleichstromsysteme ist.
    8. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die überwachte Größe die Frequenz eines Wechselstromsystems 1st.
    009821 /0712
    Le
    rs e ι te
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