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Vorrichtung zur Messung der Differenzdrehzahl zweier Wellen
Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung und/oder Regelung der Differenzdrehzahl
zweier Wellen, bei der auf den beiden.
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Wellen Einrichtungen angeordnet sind, deren Zusammenwirken einen Rückschluß
auf die Differenz drehzahl erlaubt.
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Die bisher vielfach angewendeten Verfahren, die auf der Drehzahlmessung
an jeder der beiden zu vergleichenden Wellen und Differenzbildung der Meßwerte beruhen,
sind ungenau, da hier eine Differenz zweier nur wenig voneinander abweichender Meßwerte
gebildet wird. Beide Meßwerte sind mit Fehlern behaftet, die bei kleinen Differenzen
in der Größenordnung der Differenz liegen können oder noch höher sind.
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Besondere Schwierigkeiten bereitet der Meßvorgang dann, wenn die
Geschwindigkeiten durch Fühlrollen gemessen werden sollen, die einerseits eine niedrige
Drehzahl haben, andererseits aber durch die Messung nicht stark belastet werden
durfen, denn die Kraftübertragung auf die Fühlrollen erfolgt durch Reibung, so daß
jede merkliche Belastung der Fühlrollen zu einer schlüpfenden Kraftübertragung und
damit zur Verfälschung des Meßergebnisses führen kann. Es ist versucht worden, die
Drehzahl der Fühlrollen ins Schnelle
zu übersetzen, z. B. im Verhältnis
1 : 23, und die übersetzten Drehzahlen zu vergleichen. Hierbei war es jedoch erforderlich,
die beiden Fühlrolleneinrichtungen durch besondere Stützmotoren, welche z. B. Hauptstromcharakteristik
besitzen, zu unterstützen, um das hohe Reibungsmoment zu überwinden.
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In der Eisenbahntechnik ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mit
den zu prüfenden Achsen z. B. einer elektrischen Lokomotive je ein Widerstandsumformer
zur Erzeugung von Drehstrom gekuppelt ist; der eine Widerstandsumformer wird mit
Gleichstrom gespeist und der erzeugte Drehstrom dem zweiten Widerstandsumformer
zugeführt, an dessen Schleifringbürsten ein Gleichstromvoltmeter oder eine Wechselstromklingel
angeschlossen ist.
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Eine solche Einrichtung hat vor allem den Nachteil, daß in den Widerstandsumformern
eine beträchtliche Gleichstromleistung in Verlustwärme umgesetzt wird. Ferner ist
zum Betrieb dieser Einrichtungen Gleichstrom erforderlich, dessen Herstellung in
der gewünschten Spannung kostspielig und schwierig ist, da Gleichstrom meistens
an der Verbraucherstelle erst erzeugt werden muß.
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Schließlich erfordert die beschriebene Einrichtung zum Betrieb der
Widerstandsumformer Kommutatoren, die eine starke Bürstenreibung und damit eine
erhebliche Belastung der zu messenden Wellen bedingen. Kommutatoren sind zudem störungsanfälLig,
neigen zur Funkenbildung und sind teuer.
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Weiter ist eine Einrichtung zur Messung der Drehzahldifferenz von
Wellen bekannt, welche durch Gleichstrommotoren angetrieben sind. Hier werden die
durch Anzapfung der Wicklungen von Gleichstromteilnehmermotoren gewonnenen Wechselspannungen
überlagert, und die Schwebungsfrequenz kann dann durch eine Stoppuhr-Relais-Anordnung
gemessen werden. Der Nachteil dieser Einrichtung ist, daß die zu vergleichenden
Wellen von Gleichstrommotoren angetrieben sein müssen.
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Durch dieses Verfahren können daher alle diejenigen Wellen nicht verglichen
werden, welche durch Kraftmaschinen anderer Art, z. B. durch Verbrennungsmaschinen,
angetrieben sind.
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Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Messung und/oder Regelung
der Differenzdrehzahl zweier Wellen vorgesehen, bei der auf den Wellen Induktionseinrichtungen
angeordnet sind, deren erste im Primärteil mit Wechselspannungen erregt ist und
deren Sekundärteil mit dem Primärteil der zweiten Induktionseinrichtung derart zusammengeschaltet
ist, daß im Sekundärteil der zweiten Induktionseinrichtung eine Spannung entsteht,
deren Schwebungsfrequenz -zur Messung und/oder Regelung der Differenzdrehzahl verwendbar
ist.
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Die erste Induktionseinrichtung kann dabei im Primärteil derart erregt
sein, daß sie ein im Raum stillstehendes Wechselfeld als Erregerfeld besitzt und
in dem dreiphasigen, mit der ersten Welle verbundenen Sekundärteil Spannungen induziert
werden, welche in dem räumlich stillstehenden dreiphasigen Primärteil der zweiten
Induktionseinrichtung ein synchron mit dem Sekundärteil der ersten Induktionseinrichtung
sich drehendes Wechselfeld aufbauen, so daß in dem mit der zweiten Welle verbundenen
Sekundärteil der zweiten Induktionseinrichtung der Drehzahldifferenz entsprechende
Wechselspannungen erzeugt werden.
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Die Ausgangsspannung der zweiten Induktionseinrichtung kann an ein
induktives Ubertragungssystem angeschlossen sein, welches als Kompensationseinrichtung
für die Ausgangsspannung der genannten zweiten Induktionseinrichtung dient, während
die Einstellung bzw. Drehzahl der Kompensationseinrichtung zur Messung und/oder
Regelung der Differenzdrehzahl dient. Als Kompensationseinrichtung bzw. induktives
Übertragungssystem kann dabei eine Induktionsmaschine verwendet werden, deren Ausgangsspannung
durch Beeinflussung der Drehzahl des Antriebes dieser Maschine selbsttätig konstant
gehalten wird.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die als Kompensationseinrichtung
dienende Induktionsmaschine im Primärteil dreiphasig derart ausgelegt, daß die angelegte
Ausgangsspannung der zweiten Induktionsmaschine ein sich mit der Differenzdrehzahl
der Wellen im Raum drehendes Wechselfeld aufbaut und der Sekundärteil derart ausgelegt
ist, daß bei Gleichlauf des Sekundärteiles mit dem Erregerfeld im Sekundärteil keine
oder eine konstante Spannung induziert wird. Die als Kompensationseinrichtung dienende
Induktionsmaschine kann dabei über ein Untersetzergetriebe mit einer drehzahlregelbaren
Gleichstrommaschine gekuppelt sein.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Ausgangsklemmen
des. als Kompensationseinrichtung dienenden induktiven aber tragungssystems über
einen Verstärker oder Umformer, welcher Gleichspannung liefert, an die Erregerseite
eines Generators geschaltet sein, welcher eine der Änderung der Ausgangsspannung
des dritten induktiven Übertragungssystems entsprechende, im Sinne einer Kompensation
wirkende Spannung erzeugt, welche an den Ankerkreis der Antriebseinrichtung für
das dritte Übertragungssystem geschaltet ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist also, auf elektrischem Wege die
Drehwinkel der beiden Wellen zu vergleichen, ähnlich wie dies auf mechanischem Wege
durch ein Differentialgetriebe erfolgt.
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Bei Anwendung der Erfindung ist es nunmehr möglich, die Drehzahldifferenz
der beiden Wellen auf elektrischem Wege exakt darzustellen und diesen Differenzwert
zu messen. Die dabei auftretenden Meßfehler treten nur noch in Prozenten des Differenzwertes
auf, so daß die Meßgenauigkeit gegenüber den eingangs beschriebenen Verfahren um
eine oder mehrere Größenordnungen gesteigert ist.
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Gegenüber den bekannten Vorrichtungen besitzt die Vorrichtung gemäß
der Erfindung den Vorteil, daß infolge der transformatorischen Wirkung (umlaufende
Wechselfelder) der Induktionseinrichtun-
gen praktisch leistungslos
gearbeitet werden kann.
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Es ist außer dem geringen Eigenverbrauch der Meßgeräte nur die Verlustleistung
aufzubringen.
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Bei dem in Walzwerken usw. vielfach üblichen Dauerbetrieb ist dies
von großer Bedeutung, insbesondere wegen der geringen Erwärmung der genannten Einrichtungen.
Auch ist grundsätzlich zum Betrieb der Vorrichtung gemäß der Erfindung lediglich
Drehstrom bzw. Wechselstrom technischer Frequenzen erforderlich, da die in den noch
zu beschreibenden Ausführungsformen teilweise vorgesehenen Gleichstrommaschinen
auch ohne Schwierigkeit durch geeignete Drehstromaggregate ersetzt werden können.
Die Erfindung ist unabhängig von dem Antrieb der in bezug auf ihre Drehzahl zu vergleichenden
Wellen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
näher erläutert.
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Fig. I zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel und Fig. 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Mit den beiden Wellen I und 2, deren Drehzahldifferenz gemessen und/oder
geregelt werden soll, sind zwei induktive Übertragungssysteme 3 und 4 gekupFpelt.
Diese induktiven Übertragungssysteme sind in den vorliegenden Beispielen als Induktionsmaschinen
ausgeführt, deren Läufer auf den zu vergleichenden Wellen befestigt sind. Die Induktionsmaschinen
können auch über geeignete Kraftübertragungseinrichtungen mit den zu vergleichenden
Drehsystemen gekuppelt sein. Die erste Induktionsmaschine 3 besitzt eine einpolige
Erregerwicklung im Ständer, welche über Klemmen I3 durch eine Wechselspannung erregt
wird. Diese Wechselspannung kann im Bereich der üblichen technischen Frequenzen
(z. B. 50 Hz) liegen, es können aber auch einige hundert Hz oder noch höhere Frequenzen
verwendet werden. Der Läufer der Maschine 3 ist nach Art eines Drehstromläufers
dreipolig ausgeführt und kann im Dreieck oder im Stern geschaltet sein. Die Enden
der Läuferwicklung sind an Schleifringe 14 geführt, und die an den Schleifringen
14 auftretende Spannung wird über (nicht dargestellte) Bürsten und Leitungen I5
an die Erregerklemmen I6 des zweiten induktiven Übertragungssystems geführt.
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Das ebenfalls als Induktionsmaschine 4 ausgebildete zweite induktive
Übertragungssystem ist ständerseitig dreipolig ausgelegt, und die Ständerwicklung
kann im Dreieck oder im Stern geschaltet sein. Der Läufer ist ebenfalls dreipolig
ausgelegt.
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Die Enden der Läuferwicklung sind an Schleifringe I7 geführt, deren
Spannung über (nicht dargestellte) Bürsten und Leitungen 20 abgeführt werden kann.
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Zur Veranschaulichung der Wirkungsweise der zunächst beschriebenen
Systeme werden vier Betriebsfälle angenommen: I. Die Wellen I und 2 drehen sich
nicht Beide Systeme sind in Ruhe. Die über die Klemmen I3 mit einer Wechselspannungsquelle
verbundene Ständerwicklung der Maschine 3 bildet ein im Raum feststehendes Wechselfeld
aus. Zusammen mit der dreiphasigen Läuferwicklung wirkt die Einrichtung als Transformator,
und in den einzelnen Strängen der Läuferwicklung wird jeweils eine Wechselspannung
induziert, deren Betrag von der räumlichen Lage des betrachteten Stranges gegenüber
der Richtung des Erregerfeldes bestimmt wird. An den Schleifringen 14 können daher
drei Spannungen gemessen werden, -deren Beträge im allgemeinen verschieden sind
und deren Frequenz gleich der an den Klemmen 13 zugeführten Frequenz ist.
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Diese Spannungen erzeugen in der dreiphasigen Erregerwicklung der
Maschine 4 ein räumlich feststehendes resultierendes Wechselfeld. Im stillstehenden
Läufer der Maschine 4 werden Spannungen induziert, deren Betrag von der jeweiligen
Lage der betrachteten Phasenwicklung des Läufers gegenüber dem resultierenden Feld
des Ständers abhängt.
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Da Läufer und Ständerwicklungen der beiden Induktionsmaschinen ihre
relative Lage nicht ändern, können an den Schleifringen 17 der Maschine 4 konstante
Wechselspannungen abgelesen werden.
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2. Die Wellen I und 2 rotieren synchron Das magnetische Feld der
Maschine 3 steht entsprechend der räumlich fest angeordneten Erregerwicklung im
Raum still. Die magnetische Verkettung der Phasen des Läufers mit dem Erregerfeld
ändert sich zwischen Null und einem Maximalwert.
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Die an den Schleifringen der Maschine 3 gemessenen Spannungen besitzen
praktisch die bei I3 zugeführte Frequenz; ihre Amplituden ändern sich jedoch nach
Art eines Schwebungsvorganges. Das Erregerfeld der Maschine 4 ist ein Wechselfeld,
das synchron mit dem Läufer der Maschine 3 umläuft. Da der Läufer der Maschine 4
ebenfalls synchron mit dem Läufer der Maschine 3 umläuft, erscheinen an den Schleifringen
I7 der Maschine 4 Spannungen, deren Frequenz der der Maschine3 zugeführten Frequenz
entspricht und deren Beträge konstant sind.
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3. Belastungsstoß Es sei angenommen, daß die Welle 2 aus dem Synchronismus
heraus, z. B. durch einen Laststoß, eine kleine einmalige Winkelverschiebung gegenüber
Welle I erfährt und anschließend sofort wieder synchron läuft. Da der. Läufer der
Maschine 4 zu dem Erregerfeld dieser Maschine nunmehr eine andere Lage einnimmt,
ändern sich die Spannungsverhältnisse an den Schleifringen I7 der Maschine 4 gegenüber
dem Vorzustand. Es werden konstante Wechselspannungen abgelesen, die verschieden
von den Spannungen sind, die vor dem Laststoß gemessen werden konnten.
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4. Asynchronismus Erregerfeld und Läufer der Maschine 4 laufen nicht
mehr synchron. Die an den Schleifringen I7
der Maschine 4 gemessenen
Spannungen sind daher keine konstanten Wechselspannungen mehr, sondern pulsieren
nach Art einer Schwebungsschwingung, deren Schwebungsfrequenz der Differenzdrehzahl
der beiden Wellen I und 2 proportional ist. Man kann daher an zwei der von den Schleifringen
I7 abgehenden Leitungen 20 ein geeignetes Instrument schalten, welches die Schwebungen
je Zeiteinheit registriert, um das Ergebnis zur Messung und/oder Regelung der Differehzdrehzahl
der beiden Wellen I und 2 zu verwenden.
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In Fig. I ist ein solches Instrument I9, welches z. B. ein Schwebungsmeßgerät
geeigneter Bauart sein kann, über die gestrichelt dargestellten Anschlüssel8 an
zwei Abgängen des Läufers der Maschine 4 angeschlossen dargestellt.
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In Fig. I ist weiter eine Kompensationseinrichtung vorgesehen, welche
aus einem dritten induktiven Übertragungssystem 5 und einer geeigneten Antriebsmaschine
7 besteht. Das genannte dritte System ist ähnlich wie die beiden erstgenannten Systeme
als Induktionsmaschine ausgebildet. Der Ständer ist dreipolig und mit Klemmen 21
über Leitungen 20 an die Schleifringe I7 der Maschine 4 angeschlossen. Der Läufer
der Maschine 5 ist einpolig ausgebildet, und die Abgänge des Läufers sind an Schleifringe
22 geführt. Die Schleifringe 22 sind über geeignete Bürsten und eine Leitung 23
mit einem Spannungsmeßgerät g verbunden.
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Der Läufer der genannten Maschine 5 ist über eine Kupplung 24 mit
einem Getriebe 6 verbunden, welches auf der Antriebsseite über eine Kupplung 25
mit der Antriebsmaschine 7, einer Gleichstrom-Nebenschlußmaschine, verbunden ist.
Der Kollektor 26 der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine ist über Bürsten 27 an eine
Gleichspannungsquelle angeschlossen. Der Erregerstrom wird über Klemmen 29 zugeführt
und ist durch einen Regelwiderstand 28 regelbar.
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Die beschriebene Kompensationseinrichtung arbeitet in folgender Weise:
Wenn die Wellen I und 2 asynchron laufen, so entstehen, wie bereits beschrieben,
an den Schleifringen 17 der Maschine 4 Wechselspannungen, deren Amplituden nach
Art einer Schwebungsschwingung pulsieren. Diese verketteten Spannungen erzeugen
in der Maschine 5 ein umlaufendes Wechselfeld. Wenn der Läufer der Maschine 5 stillsteht,
so wirkt Maschine 5 als ruhender Transformator, und die Änderungen der Spannung
werden von dem Voltmeter g angezeigt.
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Wird nun der Läufer der Maschine 5. durch die Antriebsmaschine 7
über das Getriebe 6 in Rostation versetzt und dafür gesorgt, daß der Läufer der
Maschine 5 mit der Differenzdrehzahl der beiden Wellen I und 2 umläuft, so ist der-Läufer
der Maschine 5 im Synchronismus mit dem erregenden umlaufenden Wechselfeld, und
es wird am Voltmeter g eine konstante Spannung angezeigt.
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Bei der in Fig. I dargestellten Vorrichtung ist es daher erforderlich,
dad das Voltmeter aiXonstante Spannung überwacht wird und die Konstanz der Spannung
durch Betätigung des Regelwiderstandes 28 laufend hergestellt wird. An einem geeigndten
Drehzahlmeßgerät 8, welches mit der Welle der Maschine 7 verbunden ist, kann nun
die Differenzdrehzahl der beiden Wellen I und 2 multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis
des Getriebes abgelesen werden.
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Der besondere Vorteil dieser Anordnung ist, wie bereits beschrieben,
daß Fehler in der gemessenen Drehzahldifferenz nur durch die Ablesegenauigkeit am
Instrument 8 bestimmt wird, da die induktiven Übertrager die exakte Differenzbildung
der Drehzahlen durch Abbildung der Drehwinkel ermöglichen. Ein weiterer Vorteil
ist, daß die für die Messung benötigte Leistung außerordentlich gering ist, da bei
den verwendeten induktiven Aertragungssystemen nur sehr geringe Reibungs- und Leerverluste
auftreten, jedoch keine Lastverluste.
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Die Systeme 3 und 4 können daher auch über Fühlrollen mit den Wellen
I und 2 verbunden werden.
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In Fig. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, welche die laufende Überwachung
und Regelung der Konstanz der Spannung auf der Ausgangsseite der Maschine 5 selbsttätig
vornimmt. Die Antriebsmaschine 7 wird über Klemmen 29 fremd erregt und ankerseitig
über Kollektor 26, Bürsten 27, Leitungen 36 und Kollektor 35 durch einen Generator
10 gespeist. Generator 10 wird mit konstanter Drehzahl durch einen Motor II angetrieben,
welcher über Klemmen 34 gespeist wird und durch eine Kupplung 33 mit Generator 10
verbunden ist.
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Die Erregung des Generators 10 erfolgt über Klemmen 32 und Leitungen
3I durch einen Röhrenverstärker I2, dem als Steuerspannung die Läuferspannung der
Maschine 5 über Leitungen 23' zugeführt wird. Röhrenverstärker I2 ist an eine passende
Spannungsquelle 30 angeschlossen.
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Die an Hand der Fig. 2 beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Zeigt die Läuferspannung der Maschine 5 die Tendenz, sich zu erhöhen, etwa durch
eine vergrößerte Drehzahldifferenz der Wellen I und 2, sc wird über den Verstärker
I2 die Erregung des Generators gesteigert. Ankerspannung des Generators 10 und Drehzahl
des Motors 7 steigen an, wobei die Drehzahl des Motors 7 so lange erhöht wird, bis
die Spannung am Läufer der Maschine 5 wieder konstant ist. Damit ist ein Gleichgewichtszustand
erreicht, welcher der neuen Drehzah1differenz zwischen den Wellen I und 2 entspricht.
Die Drehzahldifferenz der Wellen I und 2 kann wie in Fig. I durch ein geeignetes
Meßgerät auf der Welle der Antriebsmaschine 7 abgelesen werden. Ist der Verstärker
12 phasenempfindlich, d. h. polt sich seine Ausgangsspannung um, wenn die Eingangsspannung
in der Phasenlage um I800 gedreht wird, so kann der Motor 7 positive und negative
Drehzahldifferenzen abbilden. Bei absoluter Drehzahlübereinstimmung der Wellen I
und 2 bleibt der Motor 7 stehen. Hierbei ist die Ausgangsspannung der Maschine 5
gleich Null.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt So können die in. duktiven Übertragungssysteme auch durch andere
drehwinkelabhängige
Induktionssysteme dargestellt werden, oder es kann auch die Frequenzmessung auf
der Ausgangsseite der Maschine 4 in anderer geeigneter Weise vorgenommen werden.
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Die Antriebsmaschine 7 kann anders geregelt werden oder anders ausgebildet
sein.