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Anordnung zur Drehzahlkompoundierungeiner Drehstrom-,Kommutator-Kaskade
als .Antriebsmaschine eines Tonfrequenzasynchrongenerators Fernsteueranlagen zur
Tarifsteuerung mit netzüberlagerten tonfrequenten Steuerströmen erfordern genaue
Konstanz der Steuerfrequenz. Dies hat seinen besonderen Grund darin, daß die Sperrorgane,
die die Energie am Austritt aus dem zu steuernden Netz bei den Einspeisestellen
hindern, eine äußerst scharfe Resonanzkurve besitzen. Ein weiterer Grund für die
hohe Konstanz der Steuerfrequenz besteht in der ziemlich ausgeprägten Selektivität
der verwendeten Empfängerrelais.
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Als Antriebsmaschine für dieTonfrequenzgeneratoren eignet sich vornehmlich
eine Kombination aus einem Drehstromasynchronmotor und einer besonderen Maschine,
welche dem Rotor des Asynchronmotors eine zusätzliche Regelspannung von Schlupffrequenz
aufdrückt. Diese besondere Maschine besteht in einem Frequenzumformer, d. h. einem
Gleichstromanker mit Schleifringanschlüssen, der sich in einem wicklungslosen Stator
dreht. Zweckmäßigerweise wird aber dieser Frequenzumfonner mit einer Kompensationswicklung
auf dem Stator versehen, die die Aufgabe hat, das von den Rotorströmen im Anker
erzeugte Feld aufzuheben. Dadurch wird zur Erregung des Frequenzumformers nur die
zur Erzeugung des Drehfeldes notwendige Erregerleistung benötigt, so daß sich die
ganze Anordnung ohne große Energieverluste steuern läßt. Der Nachteil dieser Antriebsart
liegt darin, daß der zwischen Leerlauf und Vollast entstehende Drehzahlabfall sich
genau wie bei einem normalen Motor verhält. Da damit naturgemäß eine
Frequenzänderung
verbunden ist, die natürlich in der gleichen Größenordnung wie die Schlupfdrehzahl
liegt, d. h. rund 3 bis q.°%, so muß danach getrachtet werden, diesen Drehzahlabfall
entweder ganz aufzuheben oder durch irgendeine Anordnung zu kompoundieren. Besonders
unangenehm bemerkbar macht sich diese Erscheinung beim Synchronwählerverfahren,
bei dem kurze Impulse von rund 0,3 Sekunden Dauer getastet werden.
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Es sind bereits verschiedene Anordnungen bekanntgeworden, welche eine
Drehzahlkompoundierung mittels zusätzlicher Spannungen vorsehen. Eine ideale Lösung,
bei der zwischen Leerlauf und Vollast kein Drehzahlabfall eintritt, ist jedoch nicht
erreicht worden, da zur Auslösung der zusätzlichen Regelspannung eben bereits ein
Schlupf aufgetreten sein muß, was man aber durch die Kompoundierung gerade vermeiden
will. Bei diesen bekannten Anordnungen werden die zusätzlichen Spannungen mittels
sogenannten Kompoundtransformatoren dem Statorstrom des Asynchronmotors entnommen
und über den Frequenzumformer dem Rotor des Asynchronmotors zugeführt. Die durch
den Kompoundtransformator erzeugte zusätzliche Regelspannung wird dabei der durch
einen sogenannten Drehzahlreguliertransformator dem Netz direkt entnommenen Regelspannung
für die Leerlaufdrehzahlregulierung überlagert. Eine solche Anordnung benötigt für
eine gute Kompoundierung große und teure Frequenzumformer und Kompoundtransformatoren
sogar dann, wenn man maximale Drehzahländerungen von i°/, zuläßt.
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Erfindungsgemäß wird nun bei Aggregaten, die zur Erzeugung der Tonfrequenz
einen asynchronen Tonfrequenzgenerator verwenden, die zusätzliche Regelspannung
nicht mehr dem Statorkreis des Asynchronmotors entnommen, sondern in Abhängigkeit
vom Erregerstrom des angetriebenen Tonfrequenzgenerators erzeugt, derart, daß Drehzahländerungen
ganz aufgehoben werden. Dies geschieht dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, welche
eine der dem mechanischen Bremsmoment des Tonfrequenzgenerators proportionalen Wattkomponente
des Erregerstromes des Tonfrequenzgenerators und somit dem Bremsmoment desselben
proportionale und mit der Netzspannung phasengleiche Spannung erzeugen, die über
den Frequenzumformer derart dem Rotorkreis des Asynchronmotors als Regelspannung
zugeführt wird, daß dadurch im Motor ein Antriebsmoment ausgelöst wird, dessen Größe
so bemessen ist, daß die Summe der durch die Belastung des Tonfrequenzgenerators
in allen drei Maschinen entstehenden Drehmomente möglichst gleich Null ist.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt.
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Fig. i zeigt ein Schaltbild einer bekannten Anlage; Fig. 2 und 3 zeigen
zwei Diagramme; Fig. ¢, 5 und 6 zeigen Schaltbilder der drei verschiedenen Ausführungsbeispiele
der neuenAnordnung. In der Fig. i bedeutet i einen Asynchronmotor, welcher über
eine Welle 2 einerseits einen Frequenzumformer 3 und andererseits einen hier nicht
eingezeichneten Tonfrequenzgenerator antreibt. Das Aggregat wird aus einem Netz
5 mit der Spannung El gespeist. Im Statorkreis desAsynchronmotors liegen ein Kompoundtransformator
6 und ein Schalter 7. Vom Netz 5 führt über einen Drehzahlreguliertransformator
8 und die Sekundärwicklung des Kompoundtransformators 6 eine Leitung nach den Schleifringen
9 des Frequenzumformers 3. Eine Kompensationswicklung rz des Frequenzumformers 3
liegt einerseits am Kollektor io des Frequenzumformers und andererseits über eine
Leitung. i2 an den Schleifringen 13 des Asynchronmotors i.
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In der Fig. q, sind die gleichen Elemente mit den gleichen Zahlen
wie in Fig. i bezeichnet. q. ist ein von der Welle 2 angetriebener Tonfrequenzgenerator.
Er liegt am Netz 5 mit der Spannung El und der Frequenz f1 über einen Schalter 1q.
und einen Reihentransformator 15. Den Schleifringen 16 des Tonfrequenzgenerators4.
wird die stabilisierte Tonfrequenz-Spannung entnommen und einem Netz 17 zugeführt.
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Die in der Zeichnung eingetragenen Größenzeichen haben folgende Bedeutung:
J1 = Primärstrom des Asynchronmotors, J3, Js' und J3" = primärer Erregerstrom des
kompensierten Frequenzumformers, J4 = Rotorstrom von Schlupffrequenz des Asynchronmotors,
J6 = durch den Tonfrequenzgenerator abgegebener Tonfrequenzstrom, Js = Erregergleichstrom
der Synchronerregermaschine, W = relative mechanische Belastung des Asynchronmotors
(i/i = Vollast), n/no = relative Drehzahl der Gruppe in bezug auf die synchrone
Drehzahl n..
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Die Wirkungsweise der bekannten Anordnung nach der Fig. i ist die
folgende.
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Auf der Welle 2 des Asynchronmotors i sitzt der Frequenzumformer 3,
der nach Bedarf kompensiert ist (wie gezeichnet) oder auch nicht. Dieser hat die
Aufgabe, dem Asynchronmotor die Regelspannung E4 von Schlupffrequenz zuzuführen.
Dies gestattet die Regulierung der Drehzahl über einen bestimmten Bereich, wenn
über den Drehzahlreguliertransformator 8 die regelbare Spannung E3 mit der Netzfrequenz
den Schleifringen 9 zugeführt wird. Man erreicht dadurch eine Parallelverschiebung
der Drehzahlcharakteristik je nach der angelegten Spannung, wie es im Diagramm der
Fig. 2 veranschaulicht ist. Ist die Spannung E3 = o, so erhält man die normale Drehzahlcharakteristik
a des Asynchronmotors. Hat E3 einen bestimmten Betrag, derart, daß E4 der induzierten
Rotorspannung entgegenwirkt, so ergibt sich die Charakteristik c (untersynchroner
Betrieb). Wirkt E4 im umgekehrten Sinne, derart, daß E4 mit der induzierten Rotorspannung
gleichphasig wirkt, so ergibt sich die Charakteristik b (übersynchroner Betrieb).
Immer aber ergibt sich bei der mechanischen Belastung der Maschinen zwischen Leerlauf
und Vollast ein bestimmter Drehzahlabfall /\n, der im wesentlichen durch den gesamten
ohmschen Widerstand des Rotorkreises des Asynchronmotors bestimmt ist.
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Wesentlich verschieden hiervon ist die Wirkungsweise der Kompoundierung
durch den Kompoundtransformator
6. Die zusätzliche Regelspannung
E3' wird vom Statorstrom des Asynchronmotors i erzeugt und ist somit schlupfabhängig.
Sie erzeugt eine Drehung der Charakteristik gemäß dem Diagramm in Fig, 3. Nähere
Betrachtungen zeigen jedoch, daß eine volle Kompoundierung, also ein Verlauf der
Drehzahlcharakteristik nach Kurve d, mit normalen Mitteln nicht möglich ist. Der
Kompoundtransformator 6 und auch der Frequenzumformer 3 werden groß und teuer, sogar
dann, wenn man einen großen Drehzahlabfall zuläßt.
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Es ist zu beachten, daß nur die mit der Rotorspannung des Asynchronmotors
in Phase liegende Komponente der Regelspannung eine Drehzahländerung zur Folge hat,
da ja `nur die ohmsche Komponente des Rotorstromes drehmomenterzeugend wirkt. Die
Blindkomponente der Regelspannung erzeugt mehr oder weniger große Blindströme auf
der Statorseite des Asynchronmotors, ohne jedoch das Drehmoment bzw. die Drehzahl
zu beeinflussen. Praktisch tritt jedoch diese scharfe Trennung nicht ein. Vielmehr
wird auch die Blindkomponente der Regelspannung in einem bestimmten Bereich der
Belastung drehzahlregelnd wirken. Umgekehrt wirkt in anderen Belastungsbereichen
die Wattkomponente der Regelspannung auch phasenkompensierend auf den Statorstrom
des Asynchronmotors. Diese Erscheinungen bleiben jedoch hier als unwesentlich unberücksichtigt.
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Für das Verständnis der Erfindung muß auf gewisse Eigenschaften des
Asynchrontonfrequenzgenerators näher eingegangen werden. Es ist bekannt, daß jede
Induktionsmaschine einen allgemeinen Transformator darstellt, der nach Belieben
als Spannungs-, Phasen- oder Frequenzumformer ausgebaut werden kann. Man kann damit
also auch eine höhere Frequenz erzeugen. Zu diesem Zweck wird eine normale Induktionsmaschine
verwendet, die auf dem Stator und dem Rotor mehrpolige Drehstromwicklungen trägt.
Sollen dem Rotor Ströme höherer Frequenz entnommen werden, so ist er in entgegengesetztem
Sinne wie das Statordrehfeld anzutreiben.
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Bezeichnet f1 die Frequenz der Erregerspannung, f2 die Frequenz der
erzeugten Tonfrequenzspannung, nm die mechanische Drehzahl und P die Polpaarzahl
der Maschine, so ist die Frequenz f2 bestimmt durch die relative Geschwindigkeit
von Drehfeld und Rotorwicklung, d. h. also mit co, und co, gleich den f1 und f2
entsprechenden Winkelgeschwindigkeiten und gleich der Winkelgeschwindigkeit des
Rotors:
Für eine i8polige Maschine (p = 9) wird bei n = 3ooo Umdr./Min.und fl=5oHzbeispielsweise
f2=5ooHz.
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Der Schlupf des Generators ergibt sich dabei wie folgt. Es sei n1
die synchrone Drehzahl bei der Frequenz f1, also
dann ist der Schlupf
für f1 = 5o Hz und f2 = 5oo Hz wird somit s = io. Die Leistungsbilanz des Asynchrontonfrequenzgenerators
bei vernachlässigten Verlusten kann in einfacher Weise wie folgt dargestellt werden,
wenn WI die Primärwindungszahl auf dem Stator, w2 die Sekundärwindungszahl auf dem
Rotor, 0 den Kraftfluß pro Polpaar, C-l die pro Phase im Stator induzierte EMK,
(22 die pro Phase im Rotor induzierte EMK, S1 den Strom im Stator und .SZ den Strom
im Rotor bedeutet:
e1 und (22 sind in Phase.
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Da ferner bei Vernachlässigung des Magnetisierungsstromes
Die sekundäre, vom Verbraucher entnommene Wirkleistung W2 stammt somit nur zu einem
Teil aus der mechanischen Leistung W. der Welle. Der übrige Teil WI wird transformatorisch
dem Netz entnommen, und es ergibt sich somit für die mechanisch zugeführte Wirkleistung
W..=W2-Wl; W2=S' W1 und somit
wobei WI = El J1 ist.
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Da nun: Wm = co. # Mt (Mt = Drehmoment) ist, und
Setzt man dies der ersten Gleichung für W," gleich, so wird
Setzt man die Primärspannung Ei sowie die Primärfrequenz f1 als konstant
voraus, so ist ersichtlich, daß das mechanische Drehmoment direkt proportional der
Wattkomponente des primären Erregerstromes 1l ist. Ist hingegen die Primärspannung
variabel, so ist das mechanische Drehmoment direkt proportional der Erregerleistung.
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Diese oben zusammengestellten Eigenschaften des Asynchrontonfrequenzgenerators
werden nun dazu verwendet, um diejenige Spannung zu erzeugen, die als zusätzliche
Regelspannung die geforderte Wirkung im Asynchronmotor i hervorbringt. Diese besteht
darin, daß durch die vorerwähnte zusätzliche Regelspannung im Asynchronmotor ein
Antriebsmoment ausgelöst wird, das genau gleich groß ist wie das durch die Belastung
des Tonfrequenzgenerators entstehende Bremsmoment. Da in diesem Falle die Summe
aller durch die Belastung entstehenden Drehmomente gleich Null ist, tritt keine
Drehzahländerung ein.
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In Fig. q. ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
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Wie in Fig. i besteht auch hier die Antriebsmaschine aus dem Asynchronmotor
i, der elektrisch und mechanisch mit dem Frequenzumformer 3 gekuppelt ist. Letzterer
wird wiederum über den Drehzahlreguliertransformator 8 erregt. In diesem Erregerkreis
befindet sich jedoch jetzt der Reihentransformator 15, der den Schleifringen g die
zusätzliche Regelspannung E3' zuführt, die nun aber nicht mehr wie in Fig. i vom
Statorstrom des Asynchronmotors abhängt, sondern erfindungsgemäß vom Erregerstrom
des Tonfrequenzgenerators q.. Dieser wird nach vorstehendem gegen sein Drehfeld
angetrieben und erzeugt auf der Schleifringseite 16 die tonfrequente Spannung E5
von der Frequenz f2, die den Verbrauchern zugeführt wird. Durch den Drehzahlreguliertransformer
8 kann ferner jede beliebige unter- oder übersynchrone Drehzahl innerhalb des durch
die Spannung E3 gegebenen Regelbereichs eingestellt werden.
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Bei unbelastetem Tonfrequenzgenetator ist die Spannung E3' = o, und
die Leerlaufdrehzahl wird allein durch den Drehzahlreguliertransformator 8 bestimmt.
Sobald nun auf der Sekundärseite des Reihentransformators 15 eine Spannung auftritt,
d. h. also bei Erregung des Tonfrequenzgenerators q., entsteht eine zusätzliche
Regelspannung E3' je nach der Belastung in einem bestimmten Betrag und setzt sich
mit E3 zur Erregerspannung E3" des Frequenzumformers zusammen. Dabei wird im allgemeinen
bei untersynchronem Betrieb die Spannung E3 für sich allein eine Rotorspannung E4
erzeugen, die der Rotorspannung des Asynchronmotors entgegenwirkt. E3' muß dann
so gerichtet sein, daß sie der Spannung E3 entgegenwirkt.
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Die Wirkungsweise sei noch an einem konkreten. Beispiel erläutert.
Der Schalter 14. sei vorerst offen, und es betragen Ei = 500 V = konstant,
f l = 5ollz = konstant. Das Übersetzungsverhältnis der Windungszahlen zwischen Stator
und Rotor des Asynchronmotors betrage ü = i : i, die Leerlaufdrehzahl sei mittels
der Spannung E3 auf io % untersynchron eingestellt. Die Rotorspannung beträgt dann
E4 rot = 50V .
Ebenso beträgt imLeerlauf die SpannungdesFrequenz-Umformers
E4 ra N 5o V, die der Spannung E4 rat entgegengeschaltet ist, so daß effektiv
nur eine geringe Spannungsdifferenz im Rotorkreis wirksam bleibt, die den notwendigen
Strom für das Drehmoment der zu deckenden Verluste erzeugt. Da E4 N E3 ist, so muß
auch E3 = E3" sein, da vorerst E3' = o ist, also ist E3 N 5o V. Der Widerstand im
Rotorkreis sei nun derart, daß der Asynchronmotor für sich betrachtet bei einem
Schlupf von s = 3% das volle Drehmoment entwickelt, wofür eine Rotorspannung von
0,03 # 500 = 15 V erforderlich ist, um den Rotorstrom in der Rotorwicklung zu erzeugen.
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Der Schalter 14. werde nun geschlossen und damit der Tonfrequenzgenerator
erregt, so daß die Tonfrequenzenergie über das Netz 17 zumVerbraucher fließt. Dieser
weise einen derartigen Widerstand auf, daß unter Berücksichtigung der über den Schalter
14 zufließenden Energie an der Welle das volle Drehmoment auftritt, das in diesem
Fälle gleich groß sein soll wie das Antriebsmoment des Motors bei einem Schlupf
von s = 3 %. Gemäß obiger Voraussetzungfließt dabeiim Statordes Tonfrequenzgenerators
ein Strom, dessenWattkomponente Jlw = 2,6 A betragen soll. Auf der Sekundärseite
des Stromtransformators 15 (der zur Einregulierung der Phase aus einem Induktionsregler
bestehen kann) werde dadurch eine Spannung E3' = 15 V erzeugt, die nun mit
der SpannungE3 in Gegenphase ist, so daß am Frequenzumformer an den Schleifringen
g noch eine Spannung von E3" = 35 V zur Wirkung kommt. Damit wird auch E4 momentan
auf 35 V reduziert. Es tritt somit im Rotor sofort eine überschüssige Rotorspannung
von 15 V auf; die gemäß obigem den Rotorstrom für das volle Drehmoment des Asynchronmotors
liefert.
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Eine weitere Ausführungsform stellt Fig. 5 dar. Hierin bedeutet die
Anordnung 18, ig ein wattmetrisches System, das aus einer Stromspule 18 und einer
Spannungsspule ig besteht. Entsprechend dem in der Figur nicht dargestellten Drehstromsystem
sind zwei solche Einphasensysteme in der bekannten Zweiwattmeterschaltung zusammengeschaltet
und wirken gemeinsam auf eine nicht näher dargestellte Ferrarisscheibe oder auf
einenKupferzylinder. Diese wattmetrischenSysteme treiben über eine ;Achse einen
Abwälzsektor 2o an, der durch eine Feder 21 in der Ruhestellung in seiner Grundstellung
o gehalten wird, da die Feder 21 ein linear ansteigendes Drehmoment besitzt (im
Gegensatz zu einem Scbnellregler, bei welchem die entsprechende Feder ein konstantes,
auf einen bestimmten Betrag einstellbares Drehmoment besitzt). Wird nun der Erregerstrom
j1 eingeschaltet, sowird derAbwälzsektorzo entsprechend dem Drehmoment des wattmetrischen
Systems 18, ig um einen bestimmten Betrag ausgelenkt, der proportional der Größe
des Drehmomentes und darum auch proportional derWattkomponente der Erregerleistung
Ei . J1 ist. Der Abwälzsektor 2o greift nun auf seiner Kontaktbahn-22, eine
entsprechende Anzahl
Windungen eines Widerstandes oder einer Drosselspule
ab, wodurch E3 um einen Betrag vermindert wird, der proportional der Erregerleistung
El # J1 ist.
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Fig. 6 zeigt ein ähnliches Ausführungsbeispiel, nur verstellt hier
der Abwälzsektor 2o einen Widerstand 22 im Erregerkreis eines Synchrongenerators
25, wodurch dessen Erregerspannung Es verändert wird, welche über einen Handregler
23 dem Gleichspannungsnetz 24 entnommen wird. Der Antrieb des Synchrongenerators
25 erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Synchronmotor 26, der über
einen Handregler 27 ebenfalls vom Gleichspannungsnetz 24 aus erregt wird, während
die eigentliche Speisung des Motors über einen Schalter 28 von dem Drehstromnetz
5 aus erfolgt. An Stelle des Synchronmotors 26 kann natürlich auch jeder andere
Hilfsantrieb treten, der im Synchrongenerator 25 eine dem Netz 5 frequenzgleiche
Spannung einstellbarer Amplitude und Phase zu erzeugen in der Lage ist.
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Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, daß zur Erzeugung der
Steuergröße, in diesem Falle der Regelspannung E3', kein Schlupf notwendig ist,
d. h. die Auslösung des Antriebsmomentes erfolgt direkt von der angetriebenen Seite,
also vom Tonfrequenzgenerator aus. Es ist daher möglich, eine ideale Nebenschlußcharakteristik
einzustellen, ohne Instabilitäten befürchten zu müssen. Ferner ist es auch vorteilhaft,
daß das Antriebsmoment schlagartig mit dem Bremsmoment einsetzt. Abgesehen von kurzen
Einschwingvorgängen verläuft der Regelvorgang momentan. Die Einrichtung ist daher
auch für Verwendungszwecke geeignet, die kurze Belastungsstöße zwischen Null und
Vollast aufweisen, z. B. Fernsteueranlägen nach dem Synchronwählerverfahren. Als
weiterer Vorteil ist auch zu bewerten, daß die Blindkomponente im Steuerstrom J1
die Regulierung nicht beeinilußt oder zum mindesten außerordentlich wenig. Es ist
beispielsweise sehr wohl möglich, daß der Tonfrequenzgenerator eine ganz beträchtliche
induktive Tonfrequenzleistung abzugeben hat, die naturgemäß zu einem Teil dem Erregerstrom,
d. h. dem Netz entnommen wird. Diese Blindkomponente erzeugt aber im Antriebsmotor
lediglich eine Phasenverschiebung des Statorstromes.
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An Stelle des Stromtransformators 15 in Fig. 4 kann selbstverständlich
auch irgendeine andere Einrichtung treten, die eine der Wattkomponente des Stromes
J1 phasengleiche und proportionale Spannung liefert, z. B. Induktionsregler, regulierbare
Ringtransformatoren, Netzwerke, bestehend aus Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten,
Elektronenröhrenverstärker, separate Erregermaschinen für den Frequenzumformer,
Schnellregler usw.
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Es ist außerdem unwesentlich, ob der Frequenzumformer eine Kompensationswicklung
aufweist oder nicht. Für den kompensierten Frequenzumformer ist lediglich zu berücksichtigen,
daß dieser ebenfalls ein Drehmoment entwickelt, so daß sich dann die Arbeitsbedingung
insofern abändert, als die Summe der Drehmomente aller drei Maschinen gleich Null
sein muß.