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Vorrichtung zum Bestimmen der Frequenz elektrischer Wechsel-
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größen, insbesondere einer Drehfeldmaschine Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Bestimmen einer der Frequenz o zweier eingegebener elektrischer
Wechselgrößen a1, a2 entsprechenden elektrischen Größe w, wobei zwischen den Wechselgrößen
a1 und a2 entsprechend einer mit der Frequenz # veränderlichen Phasendifferenz α
die Beziehung a1/a2 = ctg α besteht.
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Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die feldorientierte
Steuerung oder Regelung eines Drehfeldmaschinenantriebes. Ein derartiger Antrieb
besteht aus einer von einem Umrichter gespeisten Drehfeldmaschine mit einer Vorrichtung
zur Steuerung oder Regelung des Umrichters, wobei dieser Vorrichtung aus einer Flußbestimmungsvorrichtung
ein der momentanen Richtung der Feldachse entsprechender Winkel α, (z.B. in
Form zwei er Wechselgrößen sind, cos α) sowie Sollwerte eingegeben sind, die
die zur Feldachse parallele und dazu senkrechte Komponente der Ständerdurchflutung
bzw. des Ständerstromes festlegen. Mit der feldparallelen Komponente kann die Stärke
des Feldes auf einen für die Ausnutzung von Umrichter und Drehfeldmaschine optimalen
(insbesondere konstanten) Wert eingestellt werden, während unabhängig davon mit
der feldparallelen Komponente das Drehmoment bzw. die Drehzahl entsprechend den
Anforderungen an den Antrieb eingestellt werden kann.
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Ein derartiger Antrieb ist in der deutschen Patentschrift 28 33 542
oder der deutschen Patentanmeldung P 30 26202.3 beschrieben, wobei dort die Flußbestimmungseinrichtung
aus Ständerströmen und Ständerspannungen zunächst zwei elektrische Größen ermittelt,
die der EMK der Maschine zugeordnet sind. Durch Integration werden elektrische Größen
bestimmt, durch die das Feld hinsichtlich des oben erwähnten Winkels alpha; sowie
des Feldbetrages festgelegt ist0 Dieser Flußbestimmungsvorrichtung verwendet die
momentane Betriebsfrequenz, um durch Einstellung eines frequenzab hängigen Verstärkungsparameters
eine Adaption an den jeweiligen Betriebszustand zu erreichen, durch den plötzlich
bei jeder Betriebsfrequenz eine optimale Bedämpfung störender Oberschwingungen ermöglicht
wird. Auch an anderen Stellen des Maschinenantriebs kann vorteilhaft eine Anpassung
an die jeweilige Betriebsfrequenz vorgenommen werden. Im stationären Fall ist die
Betriebsfrequenz der Drehfeldmaschine gleich der Frequenz des umlaufenden Feldes,
so daß die Maschinenfrequenz selbst da verwendet wurde, wo besser die Frequenz des
umlaufenden Feldes verwendet würde.
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Auch die Gesamtdurchflutung einer Ständerwicklung kann durch zwei
elektrische Wechselgrößen a1 und a2 dargestellt werden, die aus den Strömen in den
einzelnen Ständerwicklungen zusammengesetzt sein können und den Winkel der Durchflutungsachse
in einem kartesischen, ständerfesten Bezugssystem festlegen. Durch die Größe
ist dabei auch die Größe der Durchflutung bestimmt. Auch in diesem Fall kann es
vorteilhaft sein, die Umlauffrequenz der Gesamtdurchflutung, das heißt die Frequenz,
mit der sich der Winkel O( ändert, zu bestimmen aus den meßtechnisch
zugänglichen
Wechselgrößen a1 und a2, die nicht nur von dem Winkel , und dessen zeitliche Änderung,
sondern auch von der Betragsgröße c und deren Änderung abhängen. Aufgrund dieser
Abhängigkeiten ist zu erwarten, daß sich die Berechnung der Änderungsfrequenz des
Winkels α nur mittels verhältnismäßig hohen apparativen Aufwandes möglich
ist.
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Die Bestimmung der Umlauffrequenz des Feldes und der Ständerdurchflutung
einer Drehfeldmaschine sind lediglich zwei augenfällige Anwendungen für die in der
Drehstromtechnik häufigere Aufgabe, aus zwei Wechselgrößen a1 und a2, die über eine
mit der Frequenz # veränderliche Phasendiferenz α entsprechend der Beziehung
a2/a1 = tg α voneinander abhängen, eine die Frequenz @ eindeu beschreibende
elektrische Größe w zu ermitteln.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Eingabeeingang
für die einzugebende Wechselgröße a1 und eine der zeitlichen Änderung der Wechselgröße
a2 entsprechende elektrische Größe b2 den Eingängen eines ersten Multiplizierers
aufgeschaltet sind. Ebenso ist der Eingabeeingang für die einzugebende Wechselgröße
a2 und eine der zeitlichen Änderungen der Wechselgröße a1 entsprechende elektrische
Größe b1 den Eingängen eines zweiten Multiplizierers aufgeschaltet. Zur Bildung
der Größe w sind die beiden Multipliziererausgänge den Eingängen eines Subtrahierers
aufgeschaltet.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie die vorteilhafte
Anwendung bei einem Drehfeldmaschinenantrieb ergeben sich aus
den
Unteransprüchen und werden anhand von Figuren näher erläutert.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, bei der die der Frequenz
@ entsprechende, am Ausgang des erfindungsgemäßen Subtrahierers anstehende Größe
w nur dann gleich der Frequenz @ ist, wenn die Amplitude der Wechselgrößen auf 1
normiert ist.
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Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung, bei der den Multiplizierern durch Verwendung
einer Normierungsschaltung normierte Wechselgrößen a1 und a2, jedoch nicht normierte
Wechselgrößen b1, b2 eingegeben werden und dennoch die Frequenz unabhängig von Amplitudenänderungen
der Wechselgrößen bestimmt wird.
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Fig. 4 stellt schematisch eine andere Vorrichtung dar, die ebenfalls
bei schwankender Amplitude der einzugebenden Größen die Frequenz W amplitudenunabhängig
ermittelt.
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Fig. 5 stellt die Verwendung dieser Vorrichtung bei einem Drehfeldmaschinenantrieb
dar.
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Fig. 1 zeigt den Verlauf der Wechselgrößen a1 und a2 sowie der elektrischen
Größen b1 und b2, die die zeitlichen Änderungen der Wechselgrößen a1 und a2 darstellen.
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In Fig. 1 sind zwei Wechselgrößen a1 und a2 dargestellt. Zu jedem
Zeitpunkt (z. B. t1) ist durch die jeweiligen Momentanwerte a1 (t1) und a2 (t1)
durch die Beziehung a1/a2 = ctxα ein Winkelα bestimmt.
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In dem in Fig. 1 dargestellten Fall sind für beide Wechselgrößen eine
gemeinsame Frequenz sowie eine gemeinsame, zeitlich linear abnehmende Amplitude
angenommen. Die Amplitude ergibt sich
dann durch
und die beiden Wechselgrößen sind gegeneinander um 900 verschoben. Auch im allgemeinen
Fall, in dem für a1 und a2 beliebige zeitliche Verläufe vorgegeben sind, können
die beiden Wechselgrößen zu jedem Zeitpunkt t als zwei um 900 gegeneinander verschobene
Wechselgrößen mit der gleichen Momentanamplitude c (t) = a1² (t) + a2² (t) und der
gleichen Momentanfrequenz # (t) beschrieben werden, wobei # (t) = d°C/dt durch die
zeitliche Änderung des oben definierten Winkels α gegeben ist.
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In Fig. 1 ist ferner auch der Verlauf zwei er weiterer Wechselgrößen
b1 und b2 dargestellt, wobei zwischen den Wechselgrößen a1, a2 und diesen Größ b1,
b2 der Zusammenhang b1 =da1/dt, b2 =d2²/dt besteht.
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Zur Bestimmung der Frequenz bzw. einer dieser Frequenz # entsprechenden
elektrischen Größe w dienen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie z.B.
in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist, ein erster Multiplizierer M1 mit den Eingängen
m11, m12 und ein zweiter Multiplizierer M2 mit den Eingängen m21 und m22. Die Eingabeeingänge
für die Größen a1, a2, b1, b2 sind mit den gleichen Symbolen a1, a2, b1, b2 bezeichnet.
Dem ersten Multiplizierer sind also der Eingabeeingang für die Wechselgröße a1 und
eine der zeitlichen Änderung der Wechselgröße a2 entsprechende elektrische Größe
b2 aufgeschaltet. Entsprechend ist der Eingabeeingang für die Wechselgröße a2 sowie
eine der zeitlichen Änderung der Wechselgröße a1 entsprechende elektrische Größe
b1 den Eingängen des zweiten Multiplizierers aufgeschal tet.
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Die beiden Multipliziererausgänge sind mit den Eingängen eines Subtrahierers
3 verbunden, an dem die elektrische Größe w abgegriffen
ist. Die
bisher beschriebene Schaltung ist besonders dann von Vorteil, wenn die Wechselgrößen
a1 und a2 die gleiche konstante Amplitude besitzen. Dann ist die elektrische Größe
w bis auf einen konstanten Faktor gleich der Frequenz. Im allgemeinen Fall, bei
dem beide Wechselgrößen einen unterschiedlichen zeitlichen Verlauf haben, sich also
nicht nur die Frequenz, sonder# auch die Amplitude der Wechselgrößen unabhängig
voneinander ändern, können die Wechselgrößen a1 und a2 an in Fig. 2 mit a1 , a2
bezeichneten Eingängen eingegeben werden, wobei diese Eingabeeingänge über eine
Normierungsschaltung 4 mit den Multiplizierereingängen m11, m22 verbunden sind.
Die Normierungsschaltung 4 rechnet entsprechend einer momentanen Normierungsgröße,
die aus den Momentanwerten der Wechselgrößen gemäß
gebildet ist, in entsprechende normierte Wechselgrößen a1/c und a2/c. Eine derartige
Normierungsschaltung kann als Pulsbreiten-Mehrfachmultiplizierer aufgebaut sein,
wie er z.B. in der deutschen Patentanmeldung 29 19 786 beschrieben ist und aus zwei,
dort
bezeichneten Eingangsgrößen sowohl die entsprechende Normierungsgröße
sowie pulsbreitenmodulierte Signale liefert, deren Mittelwert den entsprechenden
Größen
entspricht.
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Dieser Mehrfachmultiplizierer kann diese pulsbreitenmodulierten Signale
ferner verwenden, um sie jeweils mit weiteren, dort mit b und d bezeichneten Größen
zu multiplizieren und die entstehenden Produkte zu addieren. Die Normierungsschaltung
4, die bei den Multiplizierer und der Subtrahierer 3 können also durch eine einzige,
im wesentlichen nur aus Operationsverstärkern aufgebaute Schaltung realisiert werden.
Selbstverständlich kann die durch Fig. 2 angedeutete Schaltung auch aus diskreten
Rechenbausteinen in der dort angegebenen Weise aufgebaut werden.
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Die Eingangsgrößen für die Vorrichtung liegen in manchen Fällen als
ein Meßwerte-Paar a1, a2 sowie ein weiteres Meßwerte-Paar für b1, b2 vor und können
direkt eingegeben werden. Wegen der differenziellen Beziehung zwischen beiden Werte-Paaren
kann dann, wenn nur ein Werte-Paar meßtechnisch erfaßt wird, das andere Werte-Paar
jeweils durch Differenzierer oder Integrierer ermittelt werden. Dies ist in Fig.
2 dargestellt, wobei den Multiplizierereingängen m21 und m12 für die elektrischen
Größen b1, b2 entsprechende Differenzierer 5, 6 vorgeschaltet sind, deren Eingänge
mit den Punkten a1 und a2, im dargestellten Fall also mit den Ausgängen der Normierungsschaltung
für die normierten Wechselgrößen, verbunden sind.
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Ist die Amplitude der beiden Wechselgrößen und somit auch der Proportionalitätsfaktor
zwischen der elektrischen Größe w und der Frequenz #. nicht bekannt, so ist es vorteilhaft,
wenn die Normierungsschaltung 4 einen Ausgang für die Normierungsgröße c aufweist.
Dieser Ausgang 7 ist entsprechend Fig.3 mit dem Devisoreingang eines Dividierers
8 verbunden, dessen Dividendeneingang 9 mit dem Subtrahiererausgang verbunden ist.
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Am Devisorausgang liegt dann ein Signal für die Frequenz # an, das
unabhängig von der Momentan-Amplitude der über die Eingänge a1, a2 der Normierungsschaltung
4 eingegebenen Wechselgrößen ist.
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Bei dem anfangs erwähnten Drehfeld-Maschinenantrieb nach dem deutschen
Patent 28 33 542 wird das Feld der Maschine hinsichtlich Größe und Richtung durch
zwei Spannungssignale beschrieben, zu deren Bildung die Maschinenströme und Maschinenspannungen
erfaßt werden. Aus den Maschinenströmen wird ein Meßwerte-Paar gebildet, das den
als räumliche Größe aufgefaßten Gesamtstrom der Maschine
beschreibt.
Ebenso wird für die als räumliche Größe aufgefaßte Gesamt-Ständerspannung ein Meßwerte-Paar
gebildet und aus beiden Meßwerte-Paaren werden Wechselgrößen erzeugt, die das Feld
hinsichtlich der Richtung (Winkelα) -der Feldachse sowie des Betrages beschreiben.
Diese das Feld beschreibenden Wechselgrößen können demnach als Wechselgrößen a1,
a2 der Votricht ung nach Fig. 3 eingegeben werden, um die Frequenz des Feldes zu
ermitteln. Die entsprechenden Größen b1, b2 können dann an den Eingängen a1, a2
abgegriffen-und über Differenzierer den Eingängen b1, b2 zugeführt werden, Gerätetechnische
Differenzierer bedingen jedoch vor allem bei plötzlichen Änderungen Meßfehler. Soweit
dies möglich ist, ist es daher vorteilhafter, die Größen b1 und b2 zu erfassen und
gesondert einzugeben. Es ist bereits eine Schaltung beschrieben- worden, die zwei
die EMK der Maschine beschreibende Größen meßtechnisch ohne Verwendung von Differenzierern
zu erfassen gestattet; da das Feld das Integral der EMK darstellt, können also die
zur Ermittlungder KMK bestimmten Meßwerte an den Eingängen b1 und b2 eingegeben
werden. Diese Variante, bei der b1 und b2 nicht mittels Differenzierer aus den Wechselgrößen
a1 und a2 berechnet, sondern direkt meßtechnisch erfaßt wird,- i-St in Fig. 3 dadurch
angedeutet, daß die Größen b1, b2 über gestrichelt gezeichnete, die Integratoren
19 und 11 ~enthaltende Leitungen den Eingabeeingängen für a1 und a2 zugeführt sind.
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Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem auf die Verwendung einer
Normi erungs schaltung- verz ichtet i-st. Entsprechend Fig. 3 sind auch hier die
Multiplizierer M1, M2, der Subtrahierer 3 und der Diffidierer 8 vorgesehen. Auch
hier ist es möglich, füra
1, a2 und b1, b2 Meßwert-Paare einzugeben,
die meßtechnisch getrennt voneinander erfaßt werden, oder nur ein Werte-Paar meßtechnisch
zu erfassen und das zweite Wert-Paar - entsprechend der differenziellen Beziehung
zwischen den Werte-Paaren - mittels Differenzierern oder Integrierern aus dem ersten
Werte-Paar abzuleiten.
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Abweichend von Fig. 3 ist die Normierungsschaltung 4 dadurch ersetzt,
daß jede Wechselgröße, a1, a2, zusätzlich einem Quadrierer 12 bzw. 13 aufgeschaltet
ist. Den Quadriererausgängen ist ein zweiter Summierer 14 nachgeschaltet, dessen
Ausgang mit den@ Devisoreingang 7 des mit seinem Dividendeneingang 9 am Ausgang
des ersten Summie-
rers 3' verbunden ist. Am Ausgang des Dividierers liegt auch in diesem Fall eine
elektrische Größe für die Frequenz 4 vol; die unabhängig ist von der jeweiligen
Amplitude der Wechselgrößen.
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Gegenüber der Schaltung nach Fig. 3, bei dem das Subtrahierer-Ausgangssignal
nur durch die Normierungsgröße
dividiert wird, hat die Ausführung nach Fig. 4 den Nachteil, daß das Subtrahierer-Ausgangssignal
letztlich durch das Quadrat der Nomierungsgröße dividiert werden muß, so daß insbesondere
bei Wechselgrößen kleiner Amplitude die Rechengenauigkeit beschränkt is t. Nimmt
die Amplitude der Wechselgrößen jedoch keinen sehr kleinen Wert an, so ergibt sich
bei der Fig. 4 ein geringerer schaltungstechnischer Aufwand.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung kann beispielsweise in einem Drehfeldmaschinenantrieb
verwendet werden, wie er in Fig. 5 gezeigt ist. Er besteht aus einem Umrichter,
einer Drehfeldmaschine, beispielsweise einer Asynchronmaschine, einer Flußbestimmungsvorrichtung
und
einer Umrichtersteuerung.
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Der Umrichter kann z.B. einen Zwischenkreis mit eingeprägtem Gleichstrom
enthalten. Über einen Steuersatz 20 wird der natzseitige Gleichrichter 21 so geregelt,
daß der Zwischenkreisstrom einen über die Leitung 22 eingegebenen, dem gewünschten
Betrag der Ständerdurchflutung der Asynchronmaschine entsprechenden Sollwert einnimmt.
Der lastseitige Wechselrichter 23 wird vom entsprechenden Steuersatz 24 so gesteuert,
daß der Zwischenkreisstrom auf die drei Ausgänge R, S, T und die daran angeschlossenen
Wicklungen des Ständers so verteilt werden, daß sich in dem Ständer eine vorgegebene
Richtung für die Ständerdurchflutung ergibt.
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Der Flußbestimmungsvorrichtung sind Istwerte für Ständerstrom und
Ständerspannung zugeführt. Diese Istwerte sind über entsprechende Meßwandler an
den Eingängen der Drehfeldmaschine abgegriffen und werden in einemEMK-Detektor in
jeweils zwei Meßwert-Paare, die den als vekkolielle Größen aufgefaßten Ständerströmen
und Ständerspannungen entsprechen, umgewandelt.
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Daraus werden,wie z.B. in Fig. 13 der deutschen Patentanmeldung 30
34 275.7 (VPA 80 P 3168) beschrieben ist, die elektrischen Größen b1, b2 ermittelt,
die die vektorielle EMK der Maschine in Betrag und Richtung beschreiben. Jede dieser
elektrischen Größenwird einem Wechselspannungsintegrator 26, 27 zugeführt, der durch
Integration daraus die Wechselgrößen a1 und a2 bildet, die das Feld der Maschine
in Betrag und Richtung bestimmen.
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Anschließend werden diese Wechselgrößen in der Normierungsschaltung
28, die die Normierungsgröße
bildet, in entsprechend normierte Wechselspannungen a1/c,a2/c umgerechnet,
wobei
diese normierten Wechselspannungen nunmehr die Richtung des Feldes in der Maschine
schreiben.
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Zur Steuerung der-Maschine wird aus der Normierungsgröße c und einem
Sollwert @# 3 für den Betrag des Feldes eine Regelabweichung gebildet, die einem
entsprechenden Regler 29 zugeführt wird, der daraus einen Sollwert i1 bildet. Ein
zweiter Sollwert i2 wird von einem Regler 30 gebildet, dem die Regelabweichung zwischen
der Drehzahl n der Maschine und einem vorgegebenen Drehzahlsollwert në zugeführt
ist. Die beiden Sollwerte 11* und 12* legen die Ständerdurchflutung in ihrem Betrag
und Richtung (bezogen auf die Feldachse) fest.
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Aus diesen beiden Sollwerten und den die Feldrichtung bestimmenden
normierten Wechselgrößen ermittelt die Steuereinrichtung 31 einerseits den gewünschten
Betrag des Ständerstromes, der für den Steuersatz 20 benötigt wird, andererseits
die Aufteilung des Ständerstromes auf die drei Stromzuleitungen R, S, T der Asynchronmaschine,
die vom Steuersatz 24 benötigt wird.
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Die zur Flußbestimmung benötigten Wechselspannungsintegratoren 26
und 27 sind so aufgebaut, daß sie eine Nullpunktstrift unterdrücken. Dazu wird jede
elektrische Größe b jeweils einem Integrator 32 zugeführt, dessen Ausgangsgröße,
nämlich die Wechselgröße a2, über eine Rückführungsleitung mit einer Nullpunktregelschaltung
zum Integratoreingang zurückgeführt ist. Diese Nullpunktregelschaltung enthält einen
p-Regler 33, dem über einen Multiplizierer die entsprechende Wechselgröße, verstärkt
mit einem von der Frequenz # des Feldes abhängigen Faktor zugeführt ist. Ferner
ist ein I-Regler 35 vorgesehen, dem über einen
anderen Multiplizierer
36 die Wechselgröße, verstärkt um einen weiteren, von der Frequenz anhängigen Faktor,
zugeführt ist.
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Beide Reglerausgänge sind dem Integratoreingang aufgeschaltet.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, dem Integratoreingang weitere Größen
aufzuschalten, wie dies in der erwähnten deutschen Patentanmeldung 30 26 202 beschrieben
ist.
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Durch die frequenzabhängigen Faktoren in der Nullpunktregelschaltung
kann nun nicht nur erreicht werden, daß eine Nullpunktsdrift der Integratoren unterdrückt
wird, vielmehr kann ein Integratorfehler in dem gesamten Frequenzbereich nahezu
völlig vermieden werden.
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Insbesondere kann damit auch der gesamte Antrieb jeweils mit einer
optimalen, an den jeweiligen Betriebszustand adaptierten Weise bedämpft werden.
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Zur Ermittlung der Frequenz @ des Feldes wird die erfindungsgemäße
Vorrichtung eingesetzt, wobei bereits ausgenutzt werden kann, daß bei dem bisher
beschriebenen Aufbau des Antriebes neben den Wechselgrößen a1, a2 auch die den Ableitungen
entsprechenden elektrischen b1, b2 sowie die normierten Wechselgrößen a1/c,a2/c
und Normierungsgröße c zur Verfügung steht. Es erübrigen sich also die in den Fig.
2 bis- 4 gezeigten Differenzierer bzw. Integrierer und die Normierungsschaltung.
Vielmehr werden nur noch die beiden Multiplizierer M1, M2 und der Su/btrahierer
3, um mittels des Diffidierers die Frequenz#zu bilden, benötigt.