DE2259098A1 - Schaltungsanordnung zur potentialsteuerung, ueberwachung und begrenzung des isolationsspannungswertes in konstantstromanlagen - Google Patents

Schaltungsanordnung zur potentialsteuerung, ueberwachung und begrenzung des isolationsspannungswertes in konstantstromanlagen

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DE2259098A1 DE19722259098 DE2259098A DE2259098A1 DE 2259098 A1 DE2259098 A1 DE 2259098A1 DE 19722259098 DE19722259098 DE 19722259098 DE 2259098 A DE2259098 A DE 2259098A DE 2259098 A1 DE2259098 A1 DE 2259098A1
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Description

LICENTIA PATENT-VERWALTUNGS-GMB H. 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1
HH 72/41 1. Dezember 1972
"Schaltungsanordnung zur Potentialsteuerung, Überwachung und Begrenzung des Isolationsspannungswertes in Konstantstromanlagen11
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Potentialsteuerung, Überwachung und Begrenzung des Isolationsspannungswertes in Konstantstromanlagen mit in bunter Reihe in einer Schleife geschalteten Stromerzeugern und Verbrauchern.
Konstantstromanlagen bieten den Vorteil, daß eine große Anzahl von voneinander unabhängigen Gleichstromvcrbrauchern mit großer Summennennleistung von wenigen Generatoren mit kleiner Summennennleistung gespeist werden können. Liegen im KonstantStromkreis wichtige Verbraucher (z.B. Umformer zur Bordnetzversorgung), und weniger wichtige Verbraucher (z.B. Winden), so müssen die weniger" wichtigen Verbraucher bei Überlastung der Generatoren, (d.h. bei zu hoher Generatorspannung) in ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden. In einer Konstantstromanlage ergibt sich der Vorteil, daß alle Drehmomente erhalten bleiben und nur die Drehzahlen gesenkt werden müssen. In vielen Fällen ist auch eine Begrenzung der Leistung von unwichtigen Verbrauchern beim Überschreiten der Nennisolationsspannung sinnvoll.
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Ein Konstantstromkreis kann z.B. mit vier Konstantstromgeneratoren G , G , G , G, und mit vier Verbrauchern M1, M2, M_, M· ausgerüstet sein. Die Generatoren werden automatisch auf gleiche Leistung geregelt, d.h. ihre Spannungen u»., uqo» UGV UG4 3^1"* gleich groß. Die Leistungen der Verbraucher werden nach den Bedürfnissen des Prozesses vorgegeben, sie sind daher im allgemeinen nicht gleich und deshalb sind auch die Spannungen uM1 , nicht gleich groß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Isolationsspannungswert in Konstantstromanlagen mit in bunter Reihe in einer Schleife geschalteten Stromerzeugern und Verbrauchern zu steuern, zu überwachen und zu begrenzen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an den Schleifenknoten ein Dioden-Widerstands-Netzwerk angeschaltet ist, das in allen Betriebszuständen das höchste vorkommende positive Potential und das betragsmäßig höchste vorkommende negative Potential über gleich große Widerstände an Erde legt.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die dem Stromerzeuger zugeordneten positiven Schleifenknoten über Dioden in Durchlaßrichtung mit einem Knotenpunkt und die den Verbrauchern zugeordneten negativen Schleifenknoten über Dioden in Sperrichtung mit einem Knotenpunkt verbunden sind, wobei beide Knotenpunkte über gleich große Widerstände an Erde liegen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, daß den Gleichrichterdioden des Netzwerkes Meßinstrumente in Reihe geschaltet sind. Die den Meßinstrumenten zugeführten Strome können bei Überschreiten vorgegebener Potentialwerte zur Alaringebung und automatischen Reduzierung der Spannungen dienen.
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Ein weiterer Vorschlag der Erfindung geht dahin, daß der im Erdschlußfall über die Knotenverbindung zwischen den VTiderständen und der Erde fließende Strom zur Überwachung des Isolationswiderstandes in der Konstantstromschleife dient". Bei sehr kleinen Erdschlußströmen kann eine Fremdspannung an die zwischen den Widerständen angeordnete Erdverbindung gelegt werden und der Erdschlußstrom mit dieser Spannung korreliert werden.
Bei Verbrauchern mit Rückleistungsabgabe kann bei unmittelbar hintereinander liegenden Verbrauchern, von denen der in Stromrichtung gezählte erste Verbraucher eine höhere Leistungsauf- nähme hat als der zweite Verbraucher Rückleistung abgibt, eine Spannungserhöhung auf der Seite negativen Potentials verhindert werden.
Ist diese Möglichkeit der Schaltung nicht gegeben, wird bei einer Schaltungsanordnung, bei der zwischen zwei Schleifenknoten mehrere Verbraucher in Reihe liegen können und durch Rückleistung von Verbrauchern Knoten zwischen Verbrauchern oder Schleifenknoten hinter Verbrauchern eine höhere positive Grenzspannung erreichen können als Schleifenknoten hinter Stromerzeugern, erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zusätzliche Dioden in Durchlaßrichtung zwischen diesen Schleifenknoten und dem Knotenpunkt angeordnet sind.
Zur Alarmgabe und zu Reduzierungseingriffen kann die Stromsumme aus dem Strom der zusätzlichen Diode und dem Strom der Diode des den zugehörenden Stromerzeugers zugeordneten positiven Schleifenknotens gebildet werden.
Bei einer Schaltungsanordnung, bei der durch Rückleistung von Generatoren Schleifenlcnoten hinter- Generatoren eine höhere negative Grenzspannung als Schleif enlcnot en hinter Verbrauchern
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erreichen können, wird weiterhin vorgeschlagen, daß zusätzliche Dioden in Sperrichtung zwischen diesen Schleifenknoten und dem Knotenpunkt angeordnet sind. Zur Alarngabe und zu Reduzierungseingriffen kann die Strornsuinnie aus dem Strom der zusätzlichen Diode und dem Strom der Diode des dem zugehörenden Verbraucher zugeordneten negativen Schleifenknotens gebildet werden.
Um außer der Potentialsymmetrierung und Alarmgabe bei Überschreiten von vorgegebenen Isolationsspannungsworten eine Begrenzung durch Eingriffe in die Regelung von Generatoren und Verbrauchern zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dafi die Potentiale gegen Erde der Schleifenknoten zur Begrenzung der maximalen Leistungen an den Stromerzeugern und Verbrauchern dienen. Bei Erreichen der vorgegebenen positiven Grenzwerte kann ein Eingriff in die Regelung die Spannung der vor den Schleifenknoten liegenden Stromerzeuger verkleinern und bei Erreichen der vorgegebenen negativen Grenzwerte kann ein Eingriff in die Regelung die Spannungsaufnahme der vor dem Knoten liegenden unwichtigen Verbraucher verkleinern.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Knoten zwischen Verbrauchern und die Schleifenknoten hinter Generatoren über Dioden in Durchlaßrichtung mit einem gemeinsamen Hilfsknoten verbunden sind und das Potential dieses Hilfsknotens zum Begrenzungseingriff an den vor den infrage kommenden Schleifenknoten liegenden Stromerzeugern dient.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung liegt darin, daß eine exakte Steuerung und Überwachung der Potentialverhältnisse eines Konstantstromkreises mit technisch wenig
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aufwendigen Mitteln erreicht wird. Werden unter besonders ungünstigen Betriebsverhältnissen vorgegebene Maiximalwerte der Isolationsspannungen überschritten, werden durch begrenzende Eingriffe in die bereits vorhandenen Regeleinrichtungen für Stromerzeuger und Verbraucher unzulässig hohe Spannungen vermieden.
In der Zeichnung ist ein 'Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt
Figur la einen KonstantStromkreis mit einem Dioden-Widerstands-Netzwerk,
Figur Ib eine grafische Darstellung der Potentialdifferenzen zwischen den Schleifenknoten für einen beispielsweise gewählten Belastungsfall,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einer Konstantstromschleife des in Figur 1 dargestellten Konstant Stromkreises und
Figur 3 eine Konstantstromschleife mit zwei hintereinander angeordneten Verbrauchern.
In Figur la ist als Beispiel eine Schleife mit vier Konstantstromgeneratoren G , G'o, G , G. und mit vier Verbrauchern M,f M0, M~, M/ dargestellt. Stromerzeuger und Verbraucher sind in bunter Reihe angeordnet. An den Knotenpunkten (1.1/1,2/2.2/2. '3/3 . 3/3 Λ/ιί Λ/ιί . l) der Konstantstromschleife ist das Dioden.„iderstandsnetzwerk angeschaltet.
Die Konstantstromgeneratoren werden automatisch auf gLeiche Leistung geregelt, dan heißt: ihre Spannungen u. . , u(.,,, u... , u,-j sind gleich» groß. Die Verbraucher Le j stunden i/erden nach den liodii r Vt\ i ssen des Arbt; L tsprozn.s.sns vorgegeben, slp .sind im a L Ige»
- Ij -
AO 'J α 2 k I U 0 6 8
BAD
meinen also nicht gleich groß, daher sind auch die Verbraucherspannungen U^11, U^12, Uj , u^ nicht gleich groß.
Figur Ib zeigt für einen willkürlich gewählten Belastungsfall die graphisch addierten Potentialdifferenzen zwischen den Schleifenknoten des Konstantstromkreises. Aus der Darstellung ist ersichtlich, daß die größte Differenz zwischen den Knoten 3·3 und 3.7I auftritt und somit über dein Verbraucher M3 liegt. Ohne das erfindungsgemäße Diodenwiderstandsnetzwerk nach Figur la würde die maximale Spannung gegen Erde und damit auch die Isolationsbeanspruchung von zufälligen IsolationswiderstandsverhäLtnissen abtiängen und zwischen den Werten 0,5 1^n und u.._ liegen.
Da jedoch das angeschaltete Diodenwiderstandsnet/werk durch die in den Schleif enkno ten angeschlossenen Dioden in all. on lie tr i obszustündeu das höchste vorkommende positive Potent LaL und das brtragsmäßig vorkommende höchste negative Potential erfaßt und über die Punkte 1 und 2 und die Widerstünde R und R gegen Erde legt, werden die beiden Schleifenknoten mit der größten Potentialdifferenz symmetriert. Die größte betriebsmäßig vorkommende Isolationsbeanspruchung beträgt im gewählten Beispiel
Uis = °'3uM3.
Auch in jedem anderen auftretenden Betriebszustand wird durch die Anordnung des Diodenwiderstandnetzwcrkcs die minimalste Isolationsbeanspruchung eingestellt. Der über die Widerstände It und R ständig fließende Strom ist der größten vorkommenden Potentialdifferenz proportional. Dieser proportionale Strom fließt dem Knoten 1 stets nur über eine einzige Diode von einem einzige!η Schleifenknoten zu, es sei flenn, zwei Schleif niikno ten hätten zufällig das gleiche Potential. Der vom Knoten 2 abfließende Strom wird ebenfalls nur durch eine einzige der Dioden in einen Punkt der Kons tautstromschLeife zurückfließen.
A 0 9 8 2 W Ü 0 5 8
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Aus Figur la ist ersichtlich, daß in Reihe zu den Diodengleichrichtern des Netzwerkes Meßinstrumente zur Strommessung angeordnet sind und daß durch diese Strommessung der Punkt (3·3) größten positiven Potentials und der Punkt (^Ji) des betragsmäßig größten negativen Potentials ermittelt wird. Die Größe des erfaßten Stromes ist der Potentialdifferenz gegen Erde und damit der Isolationsbeanspruchung proportional:
τ - τ - UJ-S _ uis
"1Dl ~ •LD2- ~ R1 ~ R2
Die Ströme 1^1 und Ip0 können zur Alarmmeldung bei Überschreiten vorgegebener Potentialwerte tind zum automatischen Reduzieren der Spannungen bei Fehlern in der Konstantstromschleife genutzt werden.
Im Erdschlußfall oder bei merklicher Verminderung des Isolationswiderstandes fließt ein Strom über die Verbindung des Knotens zwischen den Widerständen R1, R0 und der Erde. Die Größe dieses Stromes richtet sich nach der Lage der Isolationswiderstandsminderung und erreicht im ungünstigsten Fall einen Maximalwert
2uis
1 = 5T"
Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer Konstantstromschleife entsprechend der Figur 1. Der Motor M0 beispielsweise gibt Rückleistung in den KonstantStromkreis ab, das bedeutet, daß seine Spannung in gleicher Richtung liegt wie die Spannung der Strom-Erzeuger. Der Schleifenknotcn 2.3 der Figur 2 hat dadurch höheres Potential als der Knoten 2.2, wie aus der zugehörenden graphischen Darstellung hervorgeht. Da der Schleifenknoten 2.3 jedoch nicht auf positive Spannung gegen Erde abgefragt wird, erfolgt keine Meldung. In die Symmetrierungsschaltung geht somit der Knoten 3·3 ein, der ein noch höheres Potential als der Knoten 2.3 hat. Die Schaltung arbeitet also richtig. Selbst unter der Voraussetzung
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daß der Stromerzeuger 3 abgeschaltet ist, bleibt die richtige Funktion erhalten, da die Spannung an ihm wegen des Diodengl eichrichters nicht umkehren kann und der Schleirenknot cn 3· 3 somit gleiches positives Potential haben muß wie der Knoten 2.3· Die Diodengleichrichter der Stromerzeuger verhindern ebenfalls, daß Spannungserhöhungen auf der Seite negativen Potentials auftreten.
Gleiche Überlegungen wie im voraufgehenden Abschnitt gelten, wenn zwei Verbraucher hintereinander liegen und der erste Verbraucher - Zählweise in Stromrichtung vorausgesetzt - höhere Leistungsaufnahme hat als der zweite Verbraucher Rückleistung abgeben kann.
Ist die Wahrung dieser Reihenfolge nicht möglich, gibt also bei zwei hintereinandergeschalteten Verbrauchern der erste Verbraucher - wieder Zählweise in Stromrichtung vorausgesetzt - möglicherweise Rückleistung ab, können die in Figur 3 gezeigten Potentialverhältnisse entstehen, der Knoten 2.22 hat höheres Potential als alle anderen Schleifenknoten. Um auch in diesem Fall Symmetrierung und Potentialsignalisicrung richtig, also unter allen Betriebsbedingungen von der höchsten Isolationsspannung abhängig zu machen, muß eine zusätzliche Diode zwischen dem Knoten 2.22 und dem Punkt 1 angeordnet werden. Zur Alarmgabe und gegebenenfalls zu Reduzierungseingriffen wird es in den meisten Fällen genügen, die Stromsumine der den Knoten 2.21 und 2.22 zugeordneten Dioden zu messen, da zwischen diesen Knoten nicht unterschieden werden muß.
Vorteilhaft kann in Konstantstromanlagen eine große Anzahl voneinander unabhängiger üleichstromverbraucher mit großer Summennennleistung von wenigen Generatoren mit kleiner Summcnncnnlcistun£
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gespeist werden. Wenn in einem KonstantStromkreis wichtige Verbraucher - beispielsweise Bordnetzumformer - und weniger wichtige Verbraucher - als Beispiel Windenantriebe - liegen, müssen die weniger wichtigen Verbraucher bei Überlastung der Stromerzeuger - also bei zu hoher Generatorspannung - in ihrer Leistungsaufnahme reduziert werden. Es bleiben alle Drehmomente erhalten, nur die Drehzahlen müssen gesenkt werden. Bezüglich eines Windenantriebes würde eine DrehzahlabSenkung bedeuten, daß das volle Moment erhalten bleibt und damit der Zug der Winde und daß lediglich die Seilgeschwindigkeit vermindert wird.
Eine Leistungsbegrenzung von.unwichtigen Verbrauchern ist in vielen Fällen bei Überschreiten der Nennisolationsspannung sinnvoll; denn trotz der beschriebenen Potential steuerung auf minimale Isolaitonsbeansprucliung kann bei ungünstiger Schaltung der Stromerzeuger — beispielsweise sind mehrere nebeneinander liegende Generatoren abgeschaltet - die Nennisoliitionsspannung überschritten werden.
Damit nun die Nennbetriebsspannung der Anlage nicht nach diesen selten vorkommenden, durch die Betriebsführung vermeidbaren, hohen Werten dimensioniert werden muß, sind die Potentiale der Schleifenknoten benutzt, um an den Stromerzeugern und den Verbrauchern die Maximalleistungen zu begrenzen.
Nach Figur la werden alle Knoten (1.1/2.2/3.3/4.4> hinter Stromerzeugern auf Überschreitung der zulässigen positiven Grenzspaimung jjegen Erde überwacht. Bei Erreichen der vorgegebenen Grenzwerte wird durch ' Eingriff in die Regelung
die Spannung des vor dem Knoten liegenden Stromerzeugers verkleinert, eine Überschreitung der betriebsmäßig zulässigen Isolationsbeanspruchung ist somit vermieden. Im Falle die positiven
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mi
225h
Grenzwerte bei sehr uinfausreichen Konstantstromanlasen mit vielen Generatoren und Motoren in Reihe an mehr als einem Schleifenltnoten überschritten werden, erstreckt sich die Spannungsbegrenzung durch Eingriff in die Itegelung auf mehrere Generatoren.
Alle Knoten hinter Verbrauchern (1.2/2.3/3.4/4.1) werden nach Figur la auf Überschreiten der zulässigen negativen Grenzspanming gegen Erde überwacht. Bei Erreichen der vorgegebenen Grenzworte wird durch Eingriff in die itegelung des vor dem Knoten liegenden Verbrauchers die Spannungsaufnaliine verkleinert und eine Überschreitung des zulässigen Isolationsspannungswertes vermieden. Dei Anordnung von wichtigen und unwichtigen Verbrauchern in einem Zweig der Konstantstromschleife darf die Spannungsvorminderung natürlich nur auf die unwichtigen Verbraucher wirken. Liegen nun in einem Zweig nur wichtige Verbraucher, muß die Reduzierung an den im vorhergehenden Zweig liegenden unwichtigen Verbrauchern vorgenommen werden.
Wenn durch Verbraucherruckloistung möglicherx/eise Knoten zwischen Verbrauchern oder Knoten hinter Verbrauchern eine höhere positive Grenzspannung erreichen können als Knoten hinter Stromerzeugfirn, muß die Schaltung zur Begrenzung unzulässiger Spannungen erweitert werden: alle infrage kommenden Knoten des betreffenden Zweiges werden über Dioden auf den positiven Maximalwert des Potentials abgefragt und die Spannung hinter dem Diodengatter wird zum Begrenzungseingriff am vor den Knoten liegenden Generator herangezogen.
10 Seiten Beschreibung
12 Patentansprüche
2Bl. Zeichnungen mit 4 Fig.
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Claims (1)

  1. HH 72/^1 Ji
    PATENTANSPRÜCHE
    1. !Schaltungsanordnung zur Potentialsteuerung, Überwachung und s ^ Begrenzung des Isolationsspannwertes in Konstantstromanlagen, mit in bunter Reihe in einer Schleife geschalteten Stromerzeugern und Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß an den Schleifenknoten ein Dioden-Widerstands-Netzwerk angeschaltet ist, das in allen Betriebszuständen das höchste vorkommende positive Potential und das betragsmäßig höchste vorkommende negative Potential über gleichgroße Widerstände (Knoten 1/ Widerstand R-, Knoten 2/ Widerstand R) an Erde legt.
    2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Stromerzeuger zugeordneten positiven Schleifenknoten über Dioden in Durchlaßrichtung mit einem Knotenpunkt (l) und die den Verbrauchern zugeordneten negativen Schleifenknoten über Dioden in Sperrichtung mit einem Knotenpunkt (2) verbunden sind, wobei sowohl der Knotenpunkt (l) wie auch der Knotenpunkt (2) über gleich große Widerstände (R1, R0) an Erde liegen.
    3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Gleichrichterdioden des Netzwerkes Meßinstrumente in Reihe geschaltet sind.
    km Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3 t dadurch gekennzeichnet, daß die den Meßinstrumenten zugeführten Ströme (I-.., Iq2) ^ei Überschreiten vorgegebener Potentialwerte zur Alarmgebung und automatischen Reduzierung der Spannungen dienen.
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    im 72/k 1 "*· 2 2 5
    5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der über die Knotenverbindung zwischen den Widerständen (R /R9) und der Erde fließende Strom zur Überwachung des Isolationswiderstandcs in der Konsttintstromschleife dient.
    6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei zwischen zwei ScliJeifenknoten mehrere Verbraucher in Reihe liegen können und durch Rückleistung von Verbrauchern Knoten zwischen Verbrauchern oder Schleifenknoten hinter Verbrauchern eine höhere positive Grenzspannung erreichen können als Schleifenknoten hinter Stromerzeugern, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Dioden in Durchlaßrichtungzzwischen diesen Schleifenknoten und dem Knotenpunkt (1) angeordnet sind.
    7· Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei durch Rückleistung von Generatoren Schleifenknoten hinter Generatoren eine höhere negative Grenzspannung erreichen können als Schloifenknoten hinter Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Dioden in Sperrichtung zwischen diesen Schleifenknoten und dem Knotenpunkt (2) angeordnet sind.
    8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zui' Alanngabe und zu Reduzierungseinsriffen die Stromsumme aus dem Strom der zusätzlichen Diode und dem Strom der Diode des den zugehörenden Stromerzeugers zugeordneten positiven Schleifenknotens gebildet wird.
    9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß zur Alarmgabe und zu Reduzierungseingriffen die Stromsunime aus dem Strom der zusätzlichen Diode und dem Strom der Diode des dem zugehörenden Verbraucher zugeordneten negativen Schleifenknotens gebildet wird.
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    BAD ORIGINAL
    10. Schaltungsanordnung, insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis k und 6 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Potentiale gegen Erde der Schleifenknoten zur Begrenzung der maximalen Leistungen an den Stromerzeugern und Verbrauchern dienen.
    11. Schcil. tungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen der vorgegebenen positiven Grenzwerte ein Eingriff in die Regelung die Spannung der vor den Schleifenknotcn liegenden Stromerzeuger verkleinert und bei Erreichen der vorgegebenen negativen Grenzwerte ein Eingriff in die. Regelung die Spannungsaufnähme der vor dem Knoten liegenden unwichtigen Verbraucher verkleinert.
    12. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 6, und 11, dadurch gekennzeichnet', daß die Knoten zwischen Verbrauchern und die Schleifenknoten hinter Generatoren über Dioden in Durchlaßrichtung mit einem gemeinsamen Ililfsknoten verbunden sind und das Potential diese« Iiilfsknotens zum Begrenzungseingriff an den vor den infrage kommenden Schleifenknoten liegenden Stromerzeugern dient.
    LICENTIA
    PATENT-VERWALTUNGS-GMBiI.
    409824/00 58
    BAD ORIGINAL
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