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Nach Art eines Zählers gebautes Gerät zur eindeutigen Nachbildung
der Frequenz _ eines Wechselstromes durch die Drehzahl des umlaufenden Meßwerkteiles
Es tritt häufig die Aufgabe auf, die Frequenz eines Wechselstromsystems mit Hilfe
des Impulsfrequenzverfabrens zum Zwecke der Fernmessung. oder Fernregelung fernzuübertragen.
Ein einfaches frequenzabhängiges Impulsgebergerät ergäbe sich dadurch, daß man mit
einem Synchronmotor einen als Impulssender dienenden Stromunterbrecher kuppeln würde.
Da jedoch die Drehzahl eines Synchronmotors eine lineare Funktion der Frequenz ist,
so haben geringe Änderungen der Frequenz auch nur geringe Änderungen der Drehzahl
zur Folge. Infolgedessen würde eine solche Anordnung zur übertragung von geringen
Schwankungen der Frequenz um einen bestimmten Mittelwert, z. B. um den Wert 5o,
nicht geeignet sein oder zumindest zu ihrer Verwendung besondere Hilfsmittel erfordern.
Bei der Frequenzfernmessung und Frequenzregelung handelt es sich aber in der. Regel
um die Übertragung von geringen Schwankungen der Frequenz um einen bestimmten Mittelwert.
Soll hierbei die Übertragung nach dem Impulsfrequenzverfahren erfolgen, so müßten
schon geringe Frequenzänderungen größere Unterschiede in der Drehzahl des zur Impulssendung
verwendeten Unterhrechers hervorrufen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein insbesondere für die obengenannten
Zwecke geeignetes, nach Art eines Zählers gebautes Gerät zur eindeutigen Nachbildung
der Frequenz eines Wechselstromes durch die Drehzahl des umlaufenden Meßwerkteiles.
Kennzeichnend für das neue Gerät ist, daß der Antrieb des Meßwerkes von einem Stromkreis
abhängig gemacht ist, der für eine in den Meßbereich des Gerätes fallende Frequenz
auf Resonanz abgestimmt ist, und daß eine Einrichtung zum Konstanthalten der an
den Klemmen des Meßwerkes liegenden Wechselspannung vorgesehen oder die Spannungsabhängigkeit
der Drehzahl durch eine zusätzliche Beeinflussung des Meßgerätes kompensiert ist.
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Resonanzkreise haben bereits in Verbindung mit zählerartigen Geräten
Anwendung gefunden, jedoch zu anderen Zwecken. So ist z. B. ein Induktionsspannüngsrelais
mit Ferraristrieb: bekanntgeworden, bei dem in dem Kreis des einen Triebeisens ein
entsprechend abgestimmter Kondensator gelegt ist, wodurch das Relais auch eine gewisse
Frequenzabhängigkeit erhält. Jedoch wird hiermit bezweckt, das Relais für eine Spannungskomponente
bestimmter Frequenz empfindlich zu machen; es soll also das Relais durch die Einfügung
des Kondensators in den einen Kreis selektiv gemacht werden, und demgemäß ist auch
die Abstimmung und die übrige Einstellung gewählt.
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Ferner ist ein Frequenzrelais mit einem Induktionsmeßwerk bekanntgeworden,
bei dem ein Teil des Triebsystems unmittelbar an
die Wechselspannung
angeschlossen ist und der andere Teil über einen Resonanzkreis, der auf eine bestimmte
Frequenz abgestimmt ist, so daß das Meßwerk bei Abweichungen der Frequenz von diesem
Wert in dem einen oder anderen Sinne in der einen oder anderen Richtung ausschlägt.
Dabei ist aber die Größe des Ausschlages von der. jeweiligen Höhe der Wechselspannung
abhängig.
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Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung um einen zählerartigen
Antrieb, des-, sen Drehzahl je Zeiteinheit unabhängig von Spannungsschwankungen
in eindeutiger Weise der Frequenz des Wechselstromes entspricht. -Vorzugsweise wird
das Gerät nach Art eines Induktionszählers ausgebildet, wobei dann der Kreis des
einen Triebeisens für eine der in den Meßbereich des Gerätes fallende Frequenz auf
Resonanz -abgestimmt und der Scheinwiderstand des Kreises des andern Triebeisens
vorteilhaft so. bemessen wird, daß der Strom in diesen Kreis bzw. das von diesem
Kreis hervorgerufene Feld für die in den Arbeitsbereich des Gerätes fallenden Frequenzen
annähernd in Phase mit der Spannung ist.
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Sollen z. B. die Schwankungen der Frequenz eines Wechselstromnetzes
mit der mittleren Frequenz. So überwacht werden, so würde ein Meßbereich des Impulsgebergerätes
von 48 bis 52 Per./s hinreichen.. Man könnte in diesem Fall z. B. den Kreis des
einen Triebeisens auf Resonanz für die Frequenz 48 abstimmen. Bei der Frequenz 48
ist dann in diesem Kreis der Strom und nahezu auch der von dem Triebeisen hervorgerufene
Fluß in Phase mit der Spannung. Der Kreis des anderen Triebeisens ist so bemessen,
daß der Strom und damit auch der von dem Triebeisen hervorgerufene Fluß für die
in den Meßbereich des Gerätes fallenden Frequenzen stets in Phase mit der Spannung
bleibt. Infolgedessen sind die Flüsse beider Triebeisen bei der Frequenz 48 in Phase,
so daß auf den Anker ein Drehmoment nicht ausgeübt wird und der Anker stillsteht.
Steigt nunmehr die Frequenz, so erhält der Fluß *des im Resonanzkreis liegenden
Triebeisens eine Phasenverschiebung gegen die Spannung und damit auch. gegen den
Fluß des anderen Triebeisens. Es wird nunmehr ein bestimmtes Dreh= moment auf den
Anker ausgeübt und somit dieser mit einer bestimmten der Frequenz entsprechenden
Geschwindigkeit gedreht.
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Die * den Änderungen der Frequenz entsprechenden Änderungen .des Phasenverschiebungswinkels
zwischen Fluß und Spannung -des Resonanzkreises nehmen für gleiche Änderungen der
Frequenz bei weiterer Entfernung von der Resonanzfrequenz sehr stark ab. Hingegen
sind die Änderungen des Phasenverschiebungswinkels zwischen Fluß und Spannung in
der Nähe der Resonanzfrequenz für gleiche Änderungen der Frequenz sowohl oberhalb
wie unterhalb der Resonanzfrequenz verhältnismäßig groß. Es ist daher von besonderem
Vorteil, den Kreis des einen Triebeisens für eine mittlere der in den Meßbereich
des Gerätes fallenden Frequenzen auf Resonanz abzustimmen, da in diesem Falle die
durch geringe Änderungen der Frequenz in der Nähe der Resonanz hervorgerufenen verhältnismäßig
großen. Änderungen des Phasenverschiebungswinkels sowohl oberhalb wie unterhalb
der Resonanzfrequenz ausgenutzt werden. Man kann z. B. vorteilhaft den Resonanzkreis
auf Resonanz für die betriebsmäßig aufrechtzuerhaltende Frequenz, im allgemeinen
die Frequenz So, abstimmen. Es sind dann, wie sich aus Obigem ergibt, die Flüsse
der beiden Triebeisen bei der Frequenz So in Phase miteinander, so daß der Anker
des Gerätes bei dieser Frequenz stillsteht. Bei Abweichungen von der Frequenz So
nach oben oder unten eilt dann der Fluß des einen Triebeisens dem Fluß des anderen
Triebeisens vor oder nach, und dementsprechend wird der Anker bei Überschreiten
der Frequenz 50 in der einen und bei Unterschreiten der Frequenz So in der
anderen Richtung gedreht. Man kann eine in dieser Weise wirkende Antriebsvorrichtung
im allgemeinen nicht unmittelbar zum Antrieb des Unterbrechers verwenden, da es
für die Häufigkeit der vom Unterbrecher gesendeten Impulse belanglos ist, ob der
Unterbrecher in dem einen oder anderen Sinne gedreht wird. Man läßt daher vorteilhaft
die Antriebsvorrichtung mit einem anderen stets in der gleichen Richtung umlaufenden
Antrieb, dessen Drehzahl einen eindeutigen Wert hat, zusammenwirken, z. B. über
ein Differentialgetriebe, in der Weise, daß die abgeleitete Bewegung die Summe bzw:
die Differenz der von den beiden Antrieben zugeleiteten Bewegungen ist.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art ist in der Zeichnung in Abb. z
schematisch veranschaulicht. Abb. 2 bis q: sind zur Erläuterung dienende Diagramme.
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In Abb. z ist r eine drehbar gelagerte Achse eines Ankers, der aus
zwei Triebscheiben ?-
und 3 besteht, die aus Aluminium oder einem anderen
geeigneten Metall hergestellt sind. 4 und 5 sind die Wicklungen der der Triebscheibe
2 zugeordneten Triebeisen. Ebenso sind der Scheibe 3 zwei Triebeisen zugeordnet,
deren Wicklungen mit 6 und 7 bezeichnet sind. Die Wicklungen 4 und 6 liegen in Reihe
in einem Kreis, der durch Einfügung einer Drosselspule 8 und eines Kondensators
9 als Resonanzkreis ausgebildet ist.
io ist ein in diesen Kreis
eingefügter Vorwiderstand, durch den ein zu großes Ansteigen des Stromes bei der
Resonanzfrequenz verhindert wird. i i ist das Wechselstromnetz, dessen Frequenz
überwacht werden soll und an dessen Spannung -die Kreise der Triebeisen gelegt sind.
Der Resonanzkreis ist für eine mittlere der in den Meßbereich des Gerätes fallenden
Frequenzen auf Resonanz abgestimmt. Es sei angenommen, daß der Meßbereich der Einrichtung
47 bis 53 Perioden und der Resonanzkreis für die Frequenz 5o auf Resonanz abgestimmt
sei.
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Die Spulen 5 und 7 der anderen Triebeisen sind parallel geschaltet.
Beiden Spulen gemeinsam ist ein Vorwiderstand 12 und ein Kondensator 13 vorgeschaltet.
Der Kondensator 13 und der Vorwiderstand 12 sind so bemessen, daß für die
in den Meßbereich des Gerätes fallenden Frequenzen der Fluß, der von den Wicklungen
6 und 7 hervorgerufen wird, praktisch hinreichend genau in Phase mit der Spannung
bleibt.
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Da die Drehzahl des Impulsgebergerätes lediglich von der Frequenz
des Wechselstromes abhängig sein soll, so muß Vorsorge getroffen werden, um die
Schwankungen der Spannung in ihrer Wirkung auf das Impulsgebergerät zu eliminieren.
Man könnte zu diesem Zweck z. B. eine Regeleinrichtung vorsehen, die unabhängig
von den Spannungsschwankungen des Netzes i i die an den Kreis der Triebeisen gelegte
Spannung konstant hält, z. B. durch entsprechende Einstellung eines den Wicklungen
der Triebeisen vorgeschalteten regelbaren Widerstandes. Weiterhin könnte man auch
die Kreise der Triebeisen, statt sie unmittelbar an die Netzspannung zu legen, über
einen Spannungswandler an das Netz ii anschließen, der unabhängig von Spannungsschwankungen
auf der Primärseite eine konstante Spannung auf der Sekundärseite liefert. Am einfachsten
ist es jedoch, die Kreise der Triebeisen unmittelbar oder über gewöhnliche Wandler
an die Netzspannung zu legen und Schwankungen der Netzspannung in ihrer Wirkung
auf den Anker des Gerätes durch entsprechende Änderungen des Bremsmomentes auszugleichen.
Diese Ausführung ist auch bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel angenommen.
Als Bremsmagnete sind Elektromagnete verwendet, deren Wicklungen 14 bzw. 15 ebenso
wie die Kreise der Triebeisen an die Spannung des Netzes i i angeschlossen sind.
Die Bremsmagnete sind in an sich bekannter Weise so ausgebildet, daß sie ein ihren
Erregerströmen quadratisch proportionales Bremsmoment auf die Triebscheiben :2 bzw.
3 ausüben. Da die Erregerströme der Bremsmagnete der Spannung proportional sind,
so ist somit das Bremsmoment der Spannung quadratisch proportional. Andererseits
ist aber auch das von den Triebeisen ausgeübte Triebmoment bei einer bestimmten
Frequenz der Spannung quadratisch proportional. Infolgedessen werden Schwankungen
der Netz-. spännung durch proportionale Schwankungen des Bremsmomentes ausgeglichen,
so daß die Drehzahl des Gerätes lediglich durch die Frequenz des zugeleiteten Wechselstromes
bestimmt ist.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise der bisher beschriebenen Einrichtung
mögen die Diagramme der Abb. 2 bis 4 dienen, in welchen U die Spannung des Wechselstromnetzes
i 1, 271 der von den Spulen 4 -bzw. 6 hervorgerufene Fluß und 972 der von den Spulen
5 bzw. 7 hervorgerufene Fluß ist. Bei der Frequenz 50 (Abb. 3) sind die von den
Spulen 4 und 6 hervorgerufenen Flüsse 97,. in Phase mit der Spannung U. Da auch
die von den Spulen 5 und 7 hervorgerufenen Flüsse 9'2 stets in Phase mit der Spannung
sind, so besteht bei der Frequenz 5o keine Phasenverschiebung zwischen den zusammenwirkenden
Flüssen. Auf den Anker wird infolgedessen kein Drehmoment ausgeübt. Sinkt die Frequenz
unter 5o, so eilt der Fluß 561, wie in Abb. 2 veranschaulicht, der Spannung U und
damit auch dem Flusse 27.= vor. Auf den Anker wird ein Drehmoment in der einen Drehrichtung
ausgeübt. Steigt die Frequenz über 50, so eilt der Fluß 561 der Spannung U und damit
auch dem Fluß -(27, nach (Abb.4). Infolgedessen wird auf den Anker ein .Drehmoment
ausgeübt, das dem bei fallender Frequenz ausgeübten Drehmoment entgegengerichtet
ist. Es steht demnach der Anker bei der Frequenz 5o still, dreht sich bei Unterschreiten
der Frequenz 50 in der einen Richtung und bei Überschreiten der Frequenz 5o in der
anderen Richtung, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die den Abweichungen der Frequenz
von dem Mittelwert 5o eindeutig entspricht.
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Die Drehbewegung der Achse i wird über ein Schneckengetriebe 16 auf
das Seitenrad 17 'eines Differentialgetriebes übertragen, dessen anderes Seitenrad
18 von einem an das Netz i i angeschlossenen Synchronmotor ig angetrieben wird.
Das Planetenrad 2o des Differentialgetriebes ist an einem Kegelrad 21 gelagert,
dessen Drehbewegung über ein Kegelrad 22 auf einen als Impulssender dienenden Stromunterbrecher
23 übertragen wird. Zwischen dem Schneckentrieb 16 und dem Seitenrad 17, dem Synchronmotor
ig und dem Seitenrad 18- können Vorgelege angeordnet sein, um die Drehzahl auf ein
entsprechendes Maß zu erhöhen oder zu erniedrigen. Vorteilhaft werden die übersetzungsverhältnisse
-so
gewählt, daß .bei der niedrigsten Frequenz des Meßbereiches, im vorliegenden Falte-als-9_bei
der Frequenz 47, die beiden Seitenräder 17 und i8 mit gleicher .Geschwindigkeit,
jedoch in 'entgegengesetzter Drehrichtung, bewegt werden und somit der Unterbrecher
23 stillsteht.
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Steigt nunmehr die Frequenz von dem .niedrigsten Wert des Meßbereiches
auf: einen höheren Wert, so verringert sich die Drehzahl der Achse i und damit auch
die des Seitenrades 17. Es übersteigt infolgedessen hierbei die Drehzahl des Seitenrades
18 die des Seitenrades 17. Das Planetenrad 2o wandert aus, der Unterbrecher
23 wird mit einer bestimmten Geschwindigkeit gedreht. Erreicht die Frequenz den
Wert 50, so steht die Achse i und infolgedessen das Seitenrad 17 still. Die Drehzahl
des Unterbrechers 23 ist in diesem Falle allein durch die Geschwindigkeit des Seitenrades
18 bestimmt. Geht- die Frequenz' über 50 hinaus, so dreht sich die Achse
i entgegengesetzt der Drehrichtung, in der sie sich bei den unterhalb der Frequenz
50 liegenden Werten bewegte. Infolgedessen wird auch das Seitenrad 17 in
entgegengesetztem Drehsinn gedreht. In diesem Falle addieren sich die Drehbewegungen
der Seitenräder 17 und i8 in ihrer Wirkung auf das Planetenrad 2o und dementsprechend
auf den Unterbrecher 23. Es wird demnach der Unterbrecher a3 beim Steigen. der Frequenz
von dem unteren auf den oberen Endwert des Meßbereiches, im vorliegenden Falle von
47 auf 53 Per./s, mit zunehmender Geschwindigkeit gedreht. Entsprechend' nimmt die
Häufigkeit der von dem Unterbrecher 23 gesendeten Impulse zu und gibt somit ein
eindeutiges Maß für den'jeweiligen Wert der Frequenz.
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Statt eines Synchronmotors ig könnte man selbstverständlich auch ein
Uhrwerk mit konstanter Drehzahl verwenden. Da-jedoch die Drehzahl des Synchronmotors
eindeutig von, der Frequenz des zu überwachenden Systems abhängig ist, so wird im
vorliegenden Falle die Eindeutigkeit der Impulshäufigkeit durch die Verwendung eines
Synchronmotors flicht gestört. Für die Ausführung der' Erfindung genügt es, den
Anker statt mit zwei Triebsystemen nur mit einem Triebsystem zu versehen. Die Wahl
zweier Triebsysteme hat jedoch den Vorteil, daß das Gerät ein größeres Drehmoment
erhält.
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Es ließe sich auch für den Fall, daß der Resonanzkreis für eine mittlere
der in den Meßbereich des Gerätes fallenden Frequenzen auf Resonanz abgestimmt ist,
'der Stromunterbrecher unmittelbar mit der Ankerachse kuppeln. In diesem Falle müßte
jedoch der Kreis der Spulen 5 und 7 so abgestimmt werden, daß der von den Triebeisen
dieser Spulen hervorgerufene Fluß bei der niedrigsten Frequenz des Meßbereiches
in Phase mit den von den Spulen 4 und 6 hervorgerufenen Flüssen ist -und die hierbei
bestehende Phasenverschiebung gegenüber der Spanniing auch bei steigender Frequenz
behält. Es' würde jedoch bei dieser Anordnung die Höchstdrehzahl des Ankers etwa
das Zweifache der Drehzahl des dargestellten Ausführungsbeispiels betragen. Dies
hätte aber zur Folge, däß die Antriebsvorrichtung in ihrer Wirkungsweise nicht so
günstig wie das dargestellte Ausführungsbeispiel wäre..
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i sind .das: Differentialgetriebe"
und der Synchronmotor seitlich von dem-frequenzabhängigen Antrieb angeordnet. Die
Abmessungen der Einrichtung lassen sich wesentlich verringern, wenn, wie an dem
Ausführungsbeispiel nach Abb.5 veranschaulicht, der Synchronmotor und das Differentialgetriebe
zwischen den beiden Ankerscheiben 2 und 3 angeordnet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel;
das in seiner Schaltung mit dein nach Abb. i übereinstimmt, ist der Synchron-Motor
30 über .ein Übersetzungsgetriebe mit dem Seitenrad 31 des Differentialgetriebes
gekuppelt,- dessen anderes Seitenrad 32 mit der Achse r des frequenzabhängigen Antriebes
gekuppelt ist. Die Achse, auf der das Planetenrad 33 drehbar gelagert ist, ist unmittelbar
mit der Achse des Stromunterbrechers 34 verbunden, der in der Leitung 35 liegt,
die z. B. unmittelbar die Fernleitung sein kann.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i sind jeder Ankerscheibe zwei
Triebeisen und ein Bremsmagnet zugeordnet. Abweichend i hiervon sind bei dem Ausführungsbeispiel
nach der Abb.5 alle Triebeisen mit ihren Wicklungen 4, 5, 6 und 7 der Triebscheibe
3 zugeordnet, während die Bremsmagnete mit ihren Wicklungen 14 und 15 der Scheibe
2 zugeordnet sind,' die so.rizit bei diesem Ausführungsbeispiel nur als Bremsscheibe
dient. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß gegenseitige Störungen zwischen den
Bremsmomenten und den Triebmomenten nicht auftreten können.
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Statt wie bei dem Ausführungsbeispiel nach - Abb. i und 5 ein Differentialgetriebe
vorzusehen,- kann auch die Anordnung so getroffen werden, daß der gegen diel Lamellen
de"s- Stromunterbrechers anliegenden Bürste mittels eines zweiten Antriebes eine
Relativbewegung erteilt wird. Ein derartiges Ausführungsbeispiel; das in seiner
Schaltung mit dem nach Abb. 5 übereinstimmt, ist in Abb. 6 dargestellt: Mit der
Achse i des frequenzabhängigen Antriebes ist über die Zahnräder
40
und 41 der Unterbrecher 42 gekuppelt. Der Halter der gegen die Lamellen des Unterbrechers
anliegenden Bürste 43 ist an einer gleichzeitig als Schleifring dienenden Scheibe
befestigt. Die Scheibe 44. ist mit der Achse 45 verbunden, die gleichachsig mit
der Achse des Unterbrechers 42 drehbar gelagert ist und über eiri Zahnrad 46 und
Ritzel 47 mit dem Anker des Synchronmotors 48 gekuppelt ist.
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Wenn der eine Triebeisenkreis des frequenzabhängigen Antriebes wiederum,
wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb. i, für die Frequenz 5o auf Resonanz abgestimmt
ist, so wird die Drehbewegung der Bürste 43 so gewählt, daß bei Unterschreiten der
Frequenz 5o die Drehbewegungen des Unterbrechers 42 und der Bürste 43 im gleichen
Sinne, hingegen bei Überschreiten der Frequenz 5o im entgegengesetzten Sinne erfolgen.
Wie sich ohne weiteres ergibt, ist dann die Wirkung die gleiche wie die bei Anordnung
eines Differentialgetriebes. Der Unterbrecher 42 liegt in der Leitung 49, die unmittelbar
die Fernleitung sein oder aber auch zu einer Einrichtung führen kann, die. ihrerseits
den in der Fernleitung liegenden Unterbrecherkontakt steuert.
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Das neue Gerät ist insbesondere für die Verwendung als Impulsgebergerät
bestimmt. Man kann natürlich das Gerät auch, gegebenenfalls unter Weglassung des
Stromunterbrechers, mit einem Zählwerk zur Integration der Abweichungen der Frequenz
von ihrem Sollwert verwenden. Ebenso kann das Gerät auch in allen Einrichtungen.
verwendet werden, bei welchen ein Antrieb erforderlich ist, dessen Drehzahl bei
geringen Abweichungen der Frequenz von ihrem Sollwert großen, eindeutigen Änderungen
unterworfen ist.