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Frequenzregelschaltung für elektrische Kraftwerksanlagen und
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Energieverteilungsnetze.
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Die Erfindung bezieht sich auf Frequenzregelschaitunqen flir elektrische
Kraftwerksanlagen und Fnerqieverteilungsnetze mit einer Meßeinrichtung zur Restimmung
der Frequenzabweichung von einem Sollwert und einem Regler zur Ableitung eines von
der Frequenzabweichung abhängigen Stellsignales, welches in einer Stelleinrichtung
im Sinne einer Beseitigung der Frequenzabweichung wirksam wird. Im allgemeinen ist
in den bekannten Regelschaltunqen außerdem ein Schwellenwertdetektor vorgesehen,
derart, daß Frequenzabweichungen vom Sollwert nach oben oder nach unten erst jenseits
bestimmter Schwellenwerte zur Frzeugung eines Stellsignales führen.
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Bei der Beobachtung von Verbundnetzen über eine Betriebsdauer von
mehreren Tagen hinweg hat sich herausgestellt, daß die Häufigkeit von Frequenzabweichungen
eine statistische Regelmüßigkeit besitzt, derart, daß geringe und kurz andauernde
Frequenzabweichungen außerordentlich häufig auftreten und die Häufiqkeit der Frequenzabweichungen
sowohl mit zunehmender
betragsmäßiger Größe als auch mit zunehmender
Dauer der Frequenzabweichung abnimmt. Trägt man die Einzelfälle von Frequenzabweichungen
als Punkte in einem Diagramm ein, dessen Ab-Abszisse in Werten der Frequenzabweichungsdauer
und dessen Ordinate in Werten der Frequenzabweichung nach oben und nach unten geeicht
ist, so ergibt sich eine Häufung der erwähnten Punkte in geringer Entfernung um
den Frequenzsollwert und den Nullpunkt der Zeitachse. Allgemein ist festzustellen,
daß die Frequenzabweichungen eine Gauß'sche Verteilung auf der Frequenzabweichungsachse
und eine etwa logarithmische Verteilung auf der in Werten der Abweichungsdauer geeichten
Zeitachse haben.
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Bedeutsam ist jedoch insbesondere, daß etwa 90 bis 95 % aller Frequenzabweichungsfälle
solche von geringer betrachtsmäßiqer Größe der Frequenzabweichung und geringer Dauer
der Frequenz abweichung sind und in einem Bereich liegen, in welchem aufgrund von
Selbstregeleigenschaften von Verbundnetzen keineswegs unbedingt ein Einsatz der
Regeleinrichtungen von Kraftwerksanlagen erforderlich wäre.
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Praktisch aber haben die bekannten Regelschaltungen in allen Fällen
immer schon dann die jeweiligen Stelleinrichtungen in Betrieb gesetzt, wenn die
gemessenen Frequenzabweichungen einen bestimmten, vorgegebenen Schwellenwert in
positiver oder in negativer Richtung überstiegen. Dies führte zu einem energieaufwendigen
Gegenregeln von Kraftwerksblöcken und zu erhöhten Verschleißerscheinungen an den
Regelsystemen.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein nachteiliges
Gegenregeln von Kraftwerksblöcken in Energieverteilungsnetzen zu vermeiden und die
Verschleißerscheinungen an den einzelnen Regeleinrichtungen zu vermindern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Frequenzregelschaltung
der eingangs beschriebenen, allgemeinen Art dadurch gelöst, daß eine dem Regler
vorgeschaltete Kombinationsschaltung zur zeitabhängigen Erniedriqung des dem Regler
zuqeführten,
von der Meßeinrichtung abgeleiteten Signals vorgesehen
ist, derart, daß das Ausgangssignal der Kombinationsschaltung zu Beginn einer Frequenzabweichung
die stärkste betragsmäßige Erniedrigung erfährt oder ganz verschwindet und mit zunehmender
Dauer der Frequenzabweichung eine geringer werdende betragsmäßige Erniedrigung erfährt.
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Außer der Lösung der vorstehend genannten Aufgabe wird durch eine
solche Ausbildung einer Frequenzregelschaltung erreicht, daß bei einem plötzlichen
Auftreten von Frequenzabweichungen, welche einen Regeleingriff erforderlich machen,
das von dem Regler erzeugte Stellsignal nicht sogleich in einer der Frequenzabweichung
unmittelbar entsprechenden Größe wirksam wird, sondern erst innerhalb einer bestimmten
Zeitdauer zu seiner vollen Größe anwachst, so daß gleichsam ein sehr weicher Reqeleingriff
die Folge ist.
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Nachdem die hier angegebene Frequenzregelschaltung die auftretenden
Frequenzabweichungen nicht gegenüber einem statischen, sondern gegenüber einem dynamischen,
innerhalb einer bestimmten Zeitdauer in Richtung auf den Sollwert hin abnehmenden
Schwellenwert vergleicht, ist es bei der Frequenzregelung in Verbundnetzen mit Selbstregelungseigenschaften
möglich, in nurmehr 10 % bis 5 % der Frequenzabweichungsfälle einen Regeleingriff
auszulösen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind im übrigen Gegenstand
der anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der
Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es stellen dar Fig. 1 eine vereinfachte grafische Darstellung zur Aufzeichnung der
Häufiqkeit von Frequenzabweichungen in Verbundnetzen,
Fig. 2 ein
vereinfachtes Blockschaltbild einer Frequenzregelschaltung der hier angegebenen
Art, Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Untersuchung einzelner Frequenzabweichungsfälle
in ihrem zeitlichen Verlauf sowie in ihrer Auswirkung in der Frequenzregelschaltung
und Fig. 4 ein mehr ins einzelne gehendes Schaltbild einer Frequenzregelschaltung.
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In Fig. 1 sind Gruppen von bezüglich Abweichungsdauer und betragsmäßiger
Größe gleichen Frequenzabweichungsfällen eines Verbundnetzes als Rasterquadrate
in einem Diagramm eingezeichnet, dessen Abszisse in Sekunden Frequenzabweichungsdauer
und dessen Ordinate in Hertz Frequenzabweichung vom Sollwert geeicht ist. Rasterquadrate
mit enger Kreuzschraffur versinnbildlichen beispielsweise 2.000 Frequenzabweichungen
pro Tag, Rasterquadrate mit weiter Kreuzschraffur versinnbildlichen beispielsweise
100 Frequenzabweichungsfälle pro Tag, Rasterquadrate mit einfacher Schraffur versinnbildlichen
beispielsweise 5 Frequenzabweichungsfälle pro Tag und unschraffierte Rasterquadrate
sollen beispielsweise einen Frequenzabweichungsfall pro Taq bedeuten.
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Praktisch durchgeführte Beobachtungen haben ergeben, daß in-' nerhalb
der in Fiq. 1 eingezeichneten Grenzlinien A1 und A2 95 % aller beobachteten Frequenzabweichungsfälle
gelegen sind.
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Gleichzeitig handelt es sich um diejenigen Frequenzabweichungsfälle
betragsmäßig geringerer Frequenzabweichung und gerinqerer Dauer, die durch das Selbstregelverhalten
von Verbundnetzen ohne Regeleingriff geheilt werden können.
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Um ein Tätigwerden der Regelschaltung für diese Frequenzabweichungsfälle
zu verhindern, wird in der Schaltung ein mit der Dauer der Frequenzabweichung in
Richtunq auf den Sollwert von
beispielsweise 50,00 Hz abnehmender
positiver und negativer Schwellenwert vorgegeben, welcher als dynamischer Schwellenwert
anzusprechen ist.
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In Fig. 2 ist ein Energieverteilungsnetz schematisch mit 1 bezeichnet
und mit einer Meßeinrichtung 2 verbunden, welche so ausgebildet ist, daß sie Frequenzabweichungen
der Frequenz des Energieverteilungsnetzes 1 von einem Sollwert festzustellen vermag
und ein diesen Frequenzabweichungen entsprechendes Ausgangssignal darbietet. Dieses
Ausgangssignal wird einem Schwellenwertdetektor 3 zugeleitet, der nur dann das die
Frequenzabweichung signalisierende Ausgangssignal der Meßeinrichtung 2 an eine Kombinationsschaltung
4 weitergibt, wenn das Signal einen in dem Schwellenwertdetektor 3 vorgegebenen
Schwellenwert übersteigt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß selbstverständlich
in einer praktischen Schaltung in dem Schwellenwertdetektor ein oberer und ein unterer
Schwellenwert vorgegeben sind und die Frequenzabweichungen jeweils dann zu einer
Signaleingabe zur Kombinationsschaltung 4 führen, wenn sie entweder den oberen Schwellenwert
übersteigen oder den unteren Schwellenwert unterschreiten.
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Die Kombinationsschaltung 4 erhält als weiteres Eingangssignal das
Ausgangssignal eines Korrektursignalgenerators 5, welcher über eine von dem Schwellenwertdetektor
3 zugeführte Signalleitung eingeschaltet wird und vom Zeitpunkt der Überschreitunq
eines der Schwellenwerte des Schwellenwertdetektors 3 durch die tatsächliche Frequenzabweichung
ab bis zu einem bestimmten späteren Zeitpunkt ein Korrektursignal-an die Kombinationsschaltung
4 abgibt. Dabei ist der Korrektursignalgenerator 5 so ausgebildet, daß das Korrektursignal
von der Einschaltung des Korrektursignalgenerators 5 ab bis zu dem genannten spateren
Zeitpunkt in der Weise verändert wird, daß in derKombinationsschaltung 4 eine zeitabhängige
Erniedrigung des den Stellsignalgenerator 6 erregenden, frequenzabweichungsabhängigen
Signales erfolgt. Im einzelnen erfolgt diese Modifizierung des
Ausgangssignales
der Kombinationsschaltung 4 durch das Korrektursignal des Korrektursignalgenerators
5 derart, daß das Ausgangssignal der Kombinationsschaltung 4 zu Beginn einer Frequenzabweichung
jenseits eines der Schwellenwerte, die stärkste betragsmäßige Erniedrigung erfährt
oder ganz verschwindet und mit zunehmender Dauer der Frequenzabweichung eine geringer
werdende betragsmäßige Erniedrigung erfährt. Ein vollständiges Verschwinden des-Ausgangssignales
der Kombinationsschaltung 4 ist dann vorgesehen, wenn die Wirkung des Korrektursignales
des Korrektursignalgenerators 5 den Einfluß des Ausgangssignales der Meßeinrichtung
2 in bestimmtem Maße überwiegt.
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Von dem Ausgangssignal des Stellsignalgenerators 6 wird eine Stelleinrichtung
7 erregt, welche beispielsweise ein Ventil in einem Kraftwerksblock im Sinne einer
Beseitigung der aufgetretenen Frequenzabweichung verstellt. Ist die Frequenzabweichung
dann zum Verschwinden gebracht, so liefert der Stellsignalgenerator 6 kein Ausgangssignal
mehr, was von einem Nullwertdetektor 8 festgestellt wird. Der Nullwertdetektor 8
liefert dann ein Rückstellsignal an den Korrektursiqnalgenerator 5, so daß dieser
für einen Betrieb im Falle einer neuerlichen Frequen-zabweichung vorbereitet ist.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 sei nachfolgend kurz anhand
von Fig. 3 erläutert. In dem Diagramm von Fig. 3 ist ähnlich wie in Fig. 1 die Dauer
der Frequenzabweichung auf der Abszisse in Sekunden aufgetragen und die Größe der
positiven bzw. der negativen Frequenzabweichung in Hertz ist auf der Ordinate von
einem Nullpunkt aus aufgetragen.
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Ein einzelnes Frequenzabweichungsereignis kann in dem Diagramm nach
Fig. 3 als die Wanderung eines Punktes von einem Ort auf der Ordinate aus nach rechts
behandelt werden. Die Wege verschiedener-Punkte entsprechend einzelner Frequenzabweichungsfälle
sind in Fig. 3 durch eine gepunktete Linie F1, eine gestrichelte
Linie
F2 und eine strichpunktierte Linie F3 eingezeichnet.
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Die Frequenzabweichung entsprechend der Kurve F1 hat zu Beginn ihres
Auftretens, also zum Zeitpunkt der Auslösung des Schwellendetektors 3 einen so geringen
Wert, daß das von dem Korrektursignalgenerator 5 zu Beginn der Frequenzabweichung
gelieferte Korrektursignal in der Kombinationsschaltung 4 überwiegt, so daß die
Kombinationsschaltung 4 überhaupt kein Ausgangssignal abgibt und kein Regeleingriff
ausgelöst wird.
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Aufgrund der Selbstregeleigenschaften des Verbundnetzes verschwindet
die Frequenzabweichung allmählich, wie aus der Annäherung der Kurve F1 an die Abszisse
des Diagramms nach Fig. 3 erkennbar ist. Trotz des Kleinerwerdens des Korrektursignales
überwiegt dieses in der Kombinationsschaltung 4 für diesen Frequenzabweichungsfall
auch während der gesamten Frequenzabweichungsdauer, so daß die Kurve F1 die als
obere dynamische Frequenzschwelle zu bezeichnende Line fsdo nie überschreitet. Entsprechende
Uberlegungen gelten für Frequenzabweichungen von dem Sollwert nach unten.
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Im Falle der durch die Kurve F2 dargestellten Frequenzabweichung ist
zu deren Beginn wiederum das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 2 gegenüber dem Ausgangssignal
des Korrektursignalgenerators 5 so klein, daß die Kombinationsschaltung 4 kein Ausgangssignal
liefert. Die Frequenzabweichung entsprechend F2 ist jedoch eine solche, welche von
den Selbstregeleigenschaften des Verbundnetzes nicht beseitigt wird und welche daher
andauert. Mit fortschreitender Dauer der Frequenzabweichung nimmt die Größe des
Korrektursignales des Korrektursignalgenerators 5 ab, bis schließlich an dem in
Fig. 3 mit P bezeichneten Punkt die Abgabe eines Ausgangssignales der Kombinationsschaltung
4 beginnt, da das Korrektursignal 5 inzwischen kleiner geworden ist und nunmehr
das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 2 in der Kombinationsschaltung 4 in zunehmendem
Maße durchgreifen kann. Das resultierende Signal,
welches dann
den Stellsignalgenerator 6 erregt, ist beispielsweise ein Differenzsignal, welches
in Fig. 3 schematisch durch die Pfeile S angedeutet ist.
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Der Frequenzabweichungsfall entsprechend der Kurve F3 ist demjenigen
entsprechend der Kurve F2 ähnlich, doch ist hier bereits zu Beginn die Frequenzabweichung
so groß, daß das ihr entsprechende Signal der Meßeinrichtung 2 sogleich das Korrektursignal
des Korrektursignalgenerators 5 überwiegt und ein Regeleingriff bereits zu Beginn
der Frequenzabweichung ausgelöst wird.
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Das Korrektursignal des Korrektursignalgenerators 5 kann in die Kombinationsschaltung
4 als eir; mit dem Ausqangssiqnal der Meßeinrichtung 2 zu miltiplizierender Faktor
eingegeben werden, welcher von Beginn der Frequenzabweichung ab bis zu einem bestimmten
Zeitpunkt von einem Minimalwert auf ins anwächst. In diesem Falle muß jedoch in
der Kombinationsschaltung 4 oder im Stellsignalgenerator ein zusätzliches Schwellenwertschaltgerät
vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß das Ausgangssignal der Meßeinrichtung 2
zu Beginn einer Frequenzabweichung nicht nur erniedrigt, sondern unterhalb einer
bestimmten größe dieses Ausgangssignales aufgrund der Zusammenwirkung des Korrektursignalgenerators
und des soeben erwähnten Schwellenwertschaltgerätes unterdrückt wird, so daß sich
die zuvor beschriebene Wirkungsweise der Schaltung ergibt.
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Vorzugsweise aber wird in der Kombinationsschaltung A eine Subtraktion
des Korrektursignales von dem Ausgangssignal der Meßeinrichtung 2 vogenommen, wobei
das Ausgangssignal des Korrektursignalgenerators 5 nicht lediglich linear, sondern
entsprechend einer Exponentialkurve abnimmt, nachdem Untersuchungen ergeben haben,
daß die in Fig. 1 mit A1 und A2 bezeichneten Grenzlinien durch eine solche Exponentialkurve
beschrieben werden. können.
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Ist in bestimmten Kraftwerksanlagen durch die Regeleinrichtungen ein
statischer Schwellenwert der Frequenzabweichungen vom Sollwert nach oben und nach
unten vorgegeben, derart, daß die gesamte Schaltung nur auf Frequenzabweichungen
jenseits dieser Schwellenwerte anspricht, so kann ein derartiger statischer Schwellenwert
der Frequenzabweichung zusätzlich zu dem dynamischen Schwellenwert der Frequenzabweichung
von dem die tatsächliche Frequenzabweichung repräsentierenden Signal abgezogen werden.
In dem Diagramm nach Fig. 3 würde dies einer Verbreiterung der Null-Linie oder Abszisse
zu einem nach oben und nach unten durch eine Horizontallinie entsprechend den statischen
Schwellenwerten begrenzten Band entsprechen. Dieses Band ist eine vorgegebene Totzone
der Regelung, die von Kraftwerk zu Kraftwerk eine unterschiedliche Breite haben
kann und nur im Idealfall zu Null wird.
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In Fig. 4 ist eine Frequenzregelschaltung mehr ins einzelne gehend
dargestellt. Ein Schwellenwertgeber 10 liefert in Verbindung mit einem Inverter
11 ein positives und ein negatives statisches Schwellenwertsignal, welches einmal
über Leitungen 12 bzw. 13 zu der Kombinationsschaltung 4 gelangt, welche im vorliegenden
Reispiel von einem Paar von Differenzverstärkern gebildet wird, während außerdem
die beiden Schwellenwertsignale zu dem ein Paar von Vergleichern 14 und 15 enthaltenden
Schwellenwertdetektor 3 geführt werden. An einem in dem Schwellenwertdetektor 3
vorgesehenen ODER-Schaltelement 16 tritt ein Ausgangssignal auf, wenn von der Meßeinrichtung
2 eine Frequenzabweichung festgestellt wird, die jenseits des durch die Signale
des Schwellenwertgebers repräsentierten oberen oder unteren statischen Frequenzschwellenwertes
liegt.
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Das Ausgangssignal der ODER-Schaltung 16 setzt einen Zeitgeber 17
in Lauf, welcher ein Signal gleichbleibender Amplitude innerhalb eines Zeitraumes
vom Beginn der Frequenzabweichung bis zu einem vorbestimmten Zeitpunkt danach abgibt.
Das Signal wird in einem Integrator 18 integriert und dann in eine Recheneinheit
19
eingespeist, die eine Exponentialfunktion einer Differenz eines konstanten Signalwertes
und eines zu dem Integratorausgangssignal proportialnalen Signalwertes als Korrekursignal
darbietet. Wird das Integratorausgangssignal mit ß t bezeichnet, so liefert die
Recheneinheit 19 als Ergebnis ein Signal entsprechçend dem Ausdruck e» Die Konstanten
tm und ß werden über Signaleingabegeräte 20 bzw. 21 der Recheneinheit 19 zugeführt.
Der zuvor angegebene Ausdruck, welcher das Ausgangssignal der Recheneinheit 19 darstellt,
beschreibt den dynamischen Schwellenwert der Frequenzabweichungen, wie er in Fig.
3 eingezeichnet ist und in bereinstimmung mit den praktisch durchgeführten Untersuchungen
an elektrischen Netzen steht.
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Das Ausgangssignal der Recheneinheit 19 erreicht die Kombinationsschaltung
4 einmal unmittelbar und zum anderen über einen Inverter, um dort ebenso wie das
statische Frequenzschwellenwertsignal bzw. das invertierte statische Frequenzschwellenwertslgnal
von dem die tatsächliche Frequenzabweichung vom Sollwert repräsentierenden Ausgangssignal
der MeR-einrichtung 2 subtrahiert zu werden.
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Von der Kombinationseinrichtung 4 wird dann ein gleichsam modifiziertes
Meßsignal dem Stellsignalgenerator oder Regler-6 zugeführt, welcher schließlich
ein Stellsignal an eine Stelleinrichtung weitergibt. Man erkennt, daß der Stellsignalgenerator
oder Regler ebenso wie die Kombinationsschaltung 4 zwei Kanäle aufweist, von denen
einer die Frequenzabweichungen vom Sollwert nach oben und der andere die Frequenzabweichungen
vom Sollwert nach unten behandelt. Mit den beiden Ausgängen des Stellsignalgenerators
oder Reglers 6 ist über Leitungen 120 bzw.121 der Nullwertdetektor 8 verbunden,
dessen Aufbau demjenigen des Schwellwertdetektors 3 entspricht, so daß sich eine
ins einzeln gehende Beschreibung erübrigt. Der Nullwertdetektor 8 dient zur Betätigung
einer Kippstufe 22, von deren Ausgang der Zeitgeber 17 und der Integrator 18 zurückgestellt
werden,
sobald der Regeleingriff beendet ist und die Frequenz in den zwischen den statischen
Frequenzabweichungsschwellenwerten gelegenen Bereich zurückgekehrt ist.
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Es sei noch bemerkt, daß von der vorliegenden Erfindung auch der Gedanke
umfaßt wird, durch ein Korrektursignal unmittelbar den von einem Schwellwertgeber.gelieferten
Schwellwert so zu modifizieren, daß sich zu Beginn einer Frequenzabweichung bis
zu einem.bestimmten Zeitpunkt danach ein dynamischer Schwellenwert ergibt, der sich
beispielsweise nach einer Exponentialfunktion dem statischen Schwellenwert annähert.
In einer derartigen Schaltung wird also das Korrektursignal nicht mit dem die Frequenzabweichung
repräsentierenden Ausgangssignal der Meßeinrichtung, sondern in geeigneter Weise
mit einem Ausgangssignal eines Schwellenwertgebers kombiniert.