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Einphasiger Einankerumformer. Die einphasigen Wechselstrom-Gleichstrom-Einankerumformer
der bisherigen Bauart weisen in der Ankerwicklung sehr große Stromwärmeverluste
auf. Diese großen Stromwärmeverluste haben derart große Umformerabmessungen zur
Folge, daß von einer praktischen Verwendung dieser Maschinen bis heute Abstand genommen
worden ist. Gegenstand der Erfindung sind einphasige Einankerumformer, in deren
Ankerwicklung erheblich geringere Stromwärmeverluste auftreten als in den bisher
bekannten einphasigen Einankerumformern. Die Abmessungen der neuen Umformer können
daher so klein gewählt werden, daß ihre Verwendung in Kraftbetriebsanlagen wirtschaftlich
wird.
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In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Die Abb. z bis 4 zeigen das Wicklungsbild von Umformern, bei denen
die Richtung des Hauptfeldes unveränderlich ist, die Abb. 5 bis 7 von Umformern,
deren Hauptfeldachse zwecks Spannungsregelung verdreht wird. In den Abb. _, a und
5 sind auch die Wicklungen der von den neuen Umformern gespeisten Motoren gezeichnet.
Die Abb. 6 ist eine Erläuterungsabbildung für die Anordnung nach Abb. 7.
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In allen Abbildungen bedeutet a die Wicklung des Kollektorankers des
Umformers, die aus zeichnerischen Gründen als Ringwicklung gedacht ist und die über
die Schleifringe 2 mit einphasigem Wechselstrom gespeist wird. 3 ist die Hauptfelderregerwicklung
des Umformers mit unveränderlicher Hauptfeldrichtung. q. bedeutet die Reihenschlußwicklung
auf denHauptwendepolen des Umformers. 5 (Abb. 3 und 5) ist eine am Ständer des Umformers
angebrachte
Dämpferwicklung, deren Achse die Kollektorhauptbürstenachse
schneidet. 6 (Abb. 3 und 4.) ist eine am Ständer des Umformers angebrachte Dämpferwicklung
in Richtung der Hauptbürstenachse. 7 bedeutet eine zweite Wicklung auf den Hauptwendepolen
des Umformers, welche die Wirkung dieser Wendepole vervollkommnet. io (Abb.4) stellt
einen induktiven Widerstand dar. 13 sind die Kollektorhauptbürsten des Umformers.
1q. sind die Kollektorbürsten am Umformer, deren Achse die Achse der Kollektorhauptbürsten
13 schneidet. x9 stellt die Wicklung auf den Hilfswendepolen des Umformers dar,
die zur Verbesserung der Kommutation unter den Bürsten 14. dienen. 8 ist ein Transformator,
der Kommutierungszwecken dient. 2o (Abb. 4) ist ein Transformator zur Verkettung
von Ständer- und Läuferstromkreisen des Umformers. 21 und 22 (Abb. 5 bis 7) sind
die Hauptfelderregerwicklungen eines Umformers, dessen Hauptfeldachse zwecks Spannungsregelung
verdreht wird. 15 (Abb. 1, 2 und 5) ist die Erregerwicklung, 16 die Kompensationswicklung
und 17 die Ankerwicklung eines vom Umformer gespeisten Motors, und 18 (Abb.2) ist
eine Dämpferwicklung auf den Hauptpolen dieses Motors, deren Stromkreis durch den
Schalter 23 unterbrochen werden kann.
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Bekanntlich lassen sich die vom einphasigen Wechselstrom der Schleifringe
erzeugten Wechsel-A. W. im Anker eines einphasigen Einankerumformers in zwei gleich
große Komponenten zerlegen, deren Wert konstant und gleich ist dem halben Höchstwert
der Wechsel A. W. des Schleifringstromes. Diese beiden A. W.-Komponenten drehen
sieb gegenüber dem Anker mit der Netzfrequenz, und zwar die erste entgegen dem Drehsinn
und die zweite im Drehsinn des Ankers. Die erste entgegen dem Ankerdrehsinn umlaufende
Komponente steht im Verhältnis zu den Maschinenpolen still. Sie wirkt in jeder Beziehung
genau so wie die Drehstromanker-A. W. eines gleichbelasteten Drehstrom-Gleichstrom-Einankerumformers.
Die zweite im Drehsinn des Ankers umlaufende Komponente dreht sich gegenüber den
Maschinenpolen mit der doppelten Netzperiodenzahl. Dem Strom dieser doppelperiodigen
Anker-A. W.-Komponente fließt bei den einphasigen W echselstrom-Gleichstrom-Einankerumformern
bisheriger Bauart kein kompensierender Ankerstrom entgegen. Der Strom dieser doppelperiodigen
Komponente entwickelt also zusätzliche Ohmsche Verluste, die den Hauptanteil an
den großen resultierenden Stromwärmeverlusten im Anker der bisher bekannten einphasigen
Umformer bilden. Bei den bekannten einphasigen Umformern wird nur die rein magnetische
Wirkung der doppelperiodigen Anker-A. W.-Komponente unschädlich gemacht, und zwar
durch eine am Ständer angebrachte zwei-oder mehrphasige Dämpferwicklung. Die von
der doppelperiodigen A. W.-Komponente in der Ankerwicklung versuchten zusätzlichen
Stromwärmeverluste bleiben dagegen hierdurch unberührt.
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Nach der Erfindung wird nun bei einphasigen Einankerumformern die
Ankerwicklung selbst zur Abdämpfung der doppelperiodigen Anker-A. W.-Komponente
herangezogen. Man läßt also sowohl die Ströme der doppelperiodigen Anker-A. W.-Komponente
als auch ihre Dämpfungströme dieselbe Wicklung durchfließen. Durch diese Maßnahme
werden die Stromwärmeverluste der doppelperiodigen Anker-A. W.-Komponente mit Hilfe
des in derselben Wicklung, aber in entgegengesetzter Richtung fließenden Dämpfungstromes
erheblich herabgesetzt, und zwar auf gleiche Weise und in ähnlichem Maße, wie die
Stromwärmeverluste des Drehstromes durch den Gleichstrom in Drehstrom-Gleichstrom-Einankerumformern
vermindert werden. Das Mittel, um die Abdämpfung der doppelperiodigen Anker-A. W.-Komponente
mit Hilfe der Ankerwicklung vorzunehmen, besteht erfindungsgemäß darin, daß am neuen
Umformer Dämpfungstromkreise geschaffen werden, die sich über Kollektorbürsten schließen.
Die Abbildungen zeigen Ausführungsbeispiele solcher über Kollektorbürsten geschlossener
dämpfender Ankerstromkreise.
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Bei der Anordnung nach Abb. i werden erfindungsgemäß mit Hilfe der
Kollektorbürsten 13 und 1,1 zwei Dämpfungstromkreise gebildet, denen die Ankerwicklung
i angehört. Der erste dieser beiden Dämpfungstromkreise ist der Hauptstromkreis
der ganzen Kraftbetriebsanlage selbst. Er wird gebildet aus der Ankerwicklung i
und den Kollektorbürsten 13 des Umformers und aus der Kompensationswicklung 16 und
der Ankerwicklung 17 des vom Umformer gespeisten Motors. Der zweite Dämpfungstromkreis
wird gebildet aus der Ankerwicklung i und aus den untereinander elektrisch verbundenen
Bürsten 1q.. Die Achse der Kollektorhauptbürsten 13 und der Kollektorhilfsbürsten
14 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i gegeneinander um 9o elektrische
Grade geneigt. Diese beiden Ankerstromkreise bilden somit zusammen ein gewöhnliches
Zweiphasenstromsystem.
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Das von der Erregerwicklung 3 erzeugte Hauptfeld des Umformers nach
Abb. i ruft an den Hauptbürsten 13 eine Gleichspannung hervor, der die in der Motorankerwicklung
17 induzierte Gleichspannung das Gleichgewicht hält. Zwischen den Bürsten 1q. des
Umformers kann durch das Umformerhauptfeld keine Spannung hervorgerufen werden,
weil die Achse dieses Bürstenpaares mit der Hauptfeldachse zusammenfällt. Die stillstehende
A. W.-Komponente
des Schleifringstromes und die A. W. des die Hauptbürsten
13 durchfließenden Gleichstromes heben sich im Umformeranker magnetisch auf, so
daß von diesen beiden Anker-A. W. keine induzierende Wirkung ausgeht.
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Außer diesen einander das Gleichgewicht haltenden elektromagnetischen
Wirkungen in der Umformeranordnung nach Abb. z ist aber noch die magnetomotorische
Kraft der doppelperiodigen Anker-A. W.-Komponente desSchleifringstromes vorhanden.
Diese Komponente würde ohne Abdämpfung ein Drehfeld erzeugen, das in der Ankerwicklung
in Richtung der Ankerdrehung mit der Netzfrequenz umläuft. Ohne Dämpfungseinrichtungen
würde also durch diese Komponente in der Ankerwicklung = eine Drehspannung induziert
werden, die beträchtliche Wechselspannungen an den beiden Bürstenpaaren 13 und 14
zur Folge hätte. Dies heißt aber, daß die Ankerwicklung Z selbst geeignet ist, als
mehrphasige Dämpferwicklung für den einphasigen Einankerumformer zu dienen, wobei
die Kollektorbürsten die Klemmen bilden. Die doppelperiodige Anker-A. W.-Komponente
kann also im Zweiphasenstromsystem der Bürstenpaare =3 und 14 Wechselströme induzieren,
durch welche die doppelperiodige Anker-A. W.-Komponente selbst bis auf ein kleines
restliches Drehfeld abgedämpft werden kann.
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Diese Abdämpfung ist um so vollkommener, je kleiner das restliche
Drehfeld ist, das zur Erzeugung der Verlustspannungen in den Dämpfungstromkreisen
dient, d. h. j e kleiner insbesondere die induktiven Widerstände der Dämpfungstromkreise
sind. Der Dämpfungstromkreis über die Bürsten 14 hat ohne besondere Vorkehrungen
bereits eine sehr kleine Reaktanz und bildet daher einen zur Abdämpfung vorzüglich
geeigneten Stromkreis. Es zeigt sich, daß es sogar manchmal vorteilhaft ist, die
kleine Reaktanz dieses Dämpfungstromkreises durch einen zusätzlichen induktiven
Widerstand lo (s. Abb. 4) zu vergrößern. Dagegen besitzt der Hauptstromkreis nur
dann eine kleine Reaktanz, wenn die vom Umformer gespeisten Motoren erfindungsgemäß
mit Kompensationswicklungen 16 versehen sind. Sind die vom Umformer gespeisten Motoren
Nebenschlußmotoren, wie bei den Ausführungsbeispielen der Abb. = und 5, so kann
die Reaktanz dieser Motoren durch die Kompensationswicklung 16 allein genügend erniedrigt
werden. Besitzen die gespeisten Motoren Reihenschlußerregung, wie im Ausführungsbeispiel
nach Abb. 2, so muß man, soll die Abdämpfung mit Hilfe des Hauptstromkreises der
Anlage gut möglich sein, auch die Reaktanz der Erregerwicklung =5 durch Dämpfungseinrichtungen
verringern. Dies könnte durch die dämpfende Wirkung eines massiven Pol- und Jocheisens
allein geschehen, was aber, abgesehen von der. nicht ganz vollkommenen Wirkung dieser
Dämpfungsart, zu unzulässiger Erwärmung dieser Maschinenteile führen kann. Es ist
daher vorteilhaft, die Hauptpole der vom Umformer gespeisten Reihenschlußmotoren
erfindungsgemäß mit einer Dämpferwicklung 18 zu versehen. Abb. 2 stellt bei geschlossenem
Schalter 23 eine solche Anordnung dar. Im Falle der Verwendung von Compoundmotoren
kann. der Nebenschlußteil der Motorerregung die Abdämpfung des Reihenschlußteiles
der Motorerregung übernehmen. Aber auch in diesem 'Falle kann man die Hauptpole
der Compoundmotoren erfindungsgemäß mit einer Dämpferwicklung 18 versehen.
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Oft ist es vorteilhaft, die Abdämpfung der doppelperiodigen Anker-A.
W:-Komponente nicht der Ankerwicklung allein zu überlassen. Es können dann, wie
z. B. bei Anordnung nach den Abb. 2, 3 und 4, erfindungsgemäß auch am Ständer des
neuen Umformers Dämpferwicklungen 6, vorgesehen werden, die im Verein mit der Ankerwicklung
die Abdämpfung besorgen. Im Bedarfsfalle kann man die Dämpfungswirkung auf die vorhandenen
Ständerwicklungen und die Läuferwicklung in einem ganz bestimmten Verhältnis aufteilen
oder die Dämpfungs--wirkung nur einer Wicklung zuweisen und die andere Wicklung
an der Dämpfung verhindern. Zu diesem Zwecke können erfindungsgemäß Transformatoren
2o (Abb. 3 und 4) vorgesehen werden, welche die entsprechenden Ständer- und Läuferstromkreise
miteinander verketten. Bei Anordnung nach Abb. 3 kann z. B. ein beliebiges Verhältnis
zwischen den Größen der Dämpfungströme im Hauptstromkreise und in der Dämpferwcklung
6 mit Hilfe des Transformators 2o eingestellt Werden. Bei Anordnung nach Abb. 4
sind z. B. zum Zwecke, die Erregerwicklung 3 an der Dämpfung zu hindern, der Erregerstromkreis
des Umformers und der Läuferstromkreis der Bürsten 14 miteinander durch den Transformator
2o verkettet.
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Nachrechnungen zeigen, daß auch solche Ausführungsformen der Erfihdung,
bei denen die Abdämpfung mit Hilfe der Ankerwicklung erfindungsgemäß nur in Richtung
einer Bürstenachse erfolgt, bereits kleinere Stromwärmeverluste in der Ankerwicklung
aufweisen als die bis heute bekannten einphasigen Wechselstrom-Gleichstrom-Einankerumformer.
Abb. 3 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die Abdämpfung der
doppelperiodigen Anker-A. W.-Komponente mit Hilfe der Ankerwicklung erfindungsgemäß
nur in Richtung des Hauptstromkreises erfolgt. Die Abdämpfung in Richtung des Hauptfeldes
wird beim Ausführungsbeispiel nach Abb.3 von einer am Ständer des Umformers angebrachten
Dämpfer-Wicklung 5 besorgt. Als dämpfende Ständerwicklung in Richtung des Hauptfeldes
hätte auch die Erregerwicklung 3 gewählt werden
können, in welchem
Falle eine sinusartige Verteilung dieser Wicklung Vorteile bieten würde.
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Die einachsige Beanspruchung der Ankerwicklung als Dämpfungswicklung
kann auch nur in einer die Hauptbürstenachse schneidenden Achse bewerkstelligt werden.
Eine solche Abdämpfungsart ist z. B. mit Hilfe der Anordnung nach Abb. :z möglich,
wenn man die gezeichnete Dampferwicklung 18 am Reihenschloßmotor fortläßt oder durch
den Schalter 233 unterbricht, und wenn man das Pol- und Jocheisen dieses
Motors blättert. Nach diesen Vorkehrungen übernimmt dann die am Ständer des Umformers
angebrachte Dampferwicklung 6 die Abdämpfung in Richtung der Kollektorhauptbürsten
13, weil die Reaktanz dieser Wicklung klein ist im Vergleich zur Reaktanz des Hauptstromkreises,
in welchem jetzt die große ungedämpfte Reaktanz der Reihenschlußerregerwicklung
15 voll zur Wirkung kommt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem also der Hauptstromkreis
kein Dämpfungstromkreis ist, wird die einphasige t@'echselstromenergie in Gleichstromenergie
umgeformt. Bei den vorher besprochenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei
denen der Hauptstromkreis als Dämpfungstromkreis dient, überlagert sich über den
Gleichstrom des Hauptstromkreises der dämpfende Wechselstrom, und diese beiden Stromarten
zusammen ergeben als resultierenden Hauptstrom der ganzen Kraftbetriebsanlage einen
Wellenstrom. Man kann daher solche Ausführungsarten des neuen Umformers als Wechselstromwellenstrom-Einankerumformer
bezeichnen.
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Es sei nun an Hand der Abb. 5 bis 7 die Abdämpfung der doppelperiodigen
Anker-A. W.-Komponente nach der Erfindung mit Hilfe der Ankerwicklung auch bei jenen
Regelumformern besprochen, bei denen das Verhältnis zwischen der Gleichspannung
an den Kollektorbürsten und der Wechselspannung an den Schleifringen in der Weise
geregelt wird, daß der Winkel zwischen der Achsrichtung des resultierenden Maschinenhauptfeldes
und der Achsrichtung der Kollektorbürsten geändert wird.
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Abb. 5 stellt einen solchen Regelumformer dar, bei dem die Ankerwicklung
z nur in Richtung der Achse der Kollektorhauptbürsten 13 als Dampferwicklung dient.
In Richtung senkrecht zu dieser Achse besorgt vorwiegend die Ständerwicklung 5 die
Abdämpfung der doppelperiodigen Anker A. W.-Komponente. Die Erregung der Umformerteilhauptfelder
sowie die Verdrehung der Achse des resultierenden Urnformerfeldes gegen die Achse
der Hauptbürsten 13 erfolgt mit Hilfe der Erregerwicklungen 21 und 22 auf den Teilhauptpolen
des Umformers. In Kraftbetriebsanlagen nach Abb.5 treten bei Regelung der Gleichspannung
an den Bürsten 13 keine besonderen Schwierigkeiten auf. Bei einem Umformer
mit zusätzlichen Bürsten 1q. nach Abb. 6 hingegen ist eine Regelung der Gleichspannung
an den Bürsten 13 nicht möglich. Bei höchster Spannung an den Kollektorbür5:ten
13, also bei einer Lage des resultierenden Umformerfeldes, bei der die Achse dieses
Feldes mit der Achse der Bürsten 1q. zusammenfällt, wäre der Umformer nach Abb.
6 allerdings betriebsfähig. Wollte man jedoch zwecks Erniedrigung der Spannung an
den Bürsten 13 die Achse des resultierenden Umformerfeldes aus der Achse der Bürsten
1q. herausdrehen, so würde zwischen den Bürsten =q. eine Gleichspannung entstehen,
die einen Kurzschlußstrom zur Folge hätte, da der Ohmsche Widerstand der Verbindungsleitung
zwischen den Bürsten 14 sehr klein ist.
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In Abb. 7 ist nun eine neue aus zwei durch Feldverdrehung regelbaren
Umformern bestehende Umformerschaltung dargestellt, bei der ein Kurzschlußgleichstrom
über die Bürsten 1q. bei Herabregelung der Gleichspannung an den Bürsten 13 vermieden
wird. In Abb. 7 wurden außer der Bezifferung der einzelnen Wicklungen noch verschiedene
Zeichen eingeschzieben, und es bedeuten die ungefiederten Pfeile die Richtungen
der resultierenden Umformerfelder, die gefiederten Pfeile die Ankerdrehrichtungen,
die Doppelpfeile eine Augenblicksrichtung des Dämpfungstromes im Stromkreise der
Bürsten 14. und die Plus- und Minuszeichen die Richtungen der Gleichspannungen an
den Kollektorbürsten 13 und 14.
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Die Phasen der Dämpfungströme in den Bürsten r¢, die Drehrichtungen
der Anker und die Gleichspannungen an den Hauptbürsten 13
wurden für beide
Umformer gleich angenommen. Dies ist durch -die eingeschriebenen Zeichen festgelegt:
Die Herabregelung der Gleichspannung an den Bürsten =3 wurde durch Herausdrehen
der Achse des resultierenden Feldes aus der Achse der Bürsten 14 laut eingezeichneter
Lage der ungefiederten Feldpfeile beim ersten Umformer entgegen dem Ankerdrehsinn,
und beim zweiten Umformer im Ankerdrehsinn bewerkstelligt. Unter den gemachten Annahmen
hat nun die Gleichspannung an den Bürsten 14 des ersten Umformers wegen der gegenläufigen
Verdrehung der Hauptfelder umgekehrte Richtung wie die Gleichspannung an den Bürsten
14 des zweiten Umformers. In Abb. 7 ist dies durch die Plus- und Minuszeichen angedeutet.
Die zwei Dämpfungstromkreise der beiden Umformer, denen die Bürsten z¢ angehören,
sind nun bei Anordnung nach Abb. 7 erfindungsgemäß derart in Reihe geschaltet, daß
die zwischen den Bürsten x.;. auftretenden Gleichspannungen im vereinigten Dämpfungstromkreis
einander entgegenwirken. Bei dieser Reihenschaltung der beiden Dämpfungstromkreise
bleibt ihre dämpfende Wirkung voll
erhalten, weil hierbei die Richtungen
der Dämpfungströme in den beiden Dämpfungstromkreisen übereinstimmen.
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Gleiche Umformer und gleiche absolute Werte der Feldverdrehungswinkel
in den beiden Umformern vorausgesetzt, sind die an den Bürsten 14 auftretenden Gleichspannungen
einander entgegengesetzt gleich und heben sich gegenseitig auf. Ein Kurzschlußgleichstrom
im Stromkreise der Bürsten 14 ist dann vermieden, ohne daß die Dämpfungswirkung
des Stromkreises der Bürsten 14 beeinträchtigt wird.
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Bei sämtlichen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung wurde
auf gute Kommutierung Bedacht genommen. Die in den Abbildungen gezeichneten Wendepolwicklungen
4, 7, 1g dienen einerseits zur Beseitigung der Stromwendespannungen, anderseits
zur Unterdrückung der transformatorischen Funkenspannungen unter den Kollektorbürsten.
Diese Kommutierungseinrichtungen wurden nur deshalb eingezeichnet, um technisch
nach jeder Richtung hin vollkommene Anordnungen zur Darstellung zu bringen. Sie
sind nicht Gegenstand der Erfindung.
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Nicht unerwähnt soll bleiben, daß der neue einphasige Umformer (die
erforderliche Schleifringzahl vorausgesetzt) ohne irgendwelche Änderung auch mit
Drehstrom betrieben werden kann. Bei Drehstrombetrieb, bei welchem die doppelperiodige
Anker-A. W.-Komponente verschwindet, treten dann in den bei Einphasenstrombetrieb
dämpfenden Wicklungen keine Dämpfungströme auf. Die Betriebsfähigkeit des Umformers
wird hierdurch in keiner Weise berührt.
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Die Erfindung ist insbesondere für elektrische Bahnen von Bedeutung.
Die Verwendung der neuen Umformer ergibt hier z. B. folgende Vorteile 1. Das System
ist für alle Periodenzahlen verwendbar und paßt sich insbesondere auch an hohe Periodenzahlen
sehr gut an.
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2. Das System ist ein vorzügliches Einphasen-System.
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3. Seine Regulierfähigkeit ist dieselbe wie die der Leonard-Anordnung.
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4. Die Frage der Nutzbremsung ist auf die natürlichste Weise gelöst.
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5. Die Kommutierung ist an allen Maschinen bei Anfahrt und bei Fahrt
der Lokomotive theoretisch vollkommen.
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6. Der Leistungsfaktor ist bei allen Belastungen und Fahrgeschwindigkeiten
gleich 1. 7. Der Wirkungsgrad ist vorzüglich.
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B. Das Gewicht Gier Ausrüstung ist gering. g. Auf der Fernstrecke,
die keine Weichen besitzt, kann mit Drehstrom gefahren werden. Bei Übergang von
der einphasigen auf die dreiphasige Fahrleitung ist vom Fahrpersonal auf nichts
zu achten.