DES0015352MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 4. Mai 1943 Bekanntgemacht am 23. Februar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Für elektrische, aus einem Gleichstromnetz konstanter Spannung gespeiste Gleichstromantriebe, die oft angelassen und stillgesetzt werden müssen, werden seit langem Umformer verwendet, die eine konstante Netzspannung in eine veränderliche Gleichspannung für die Antriebsmotoren umformen. Am bekanntesten ist der Leonard-Umformer. Zur Einsparung an Gewicht der beiden Maschinen dieses Umformersatzes ist seit langem ein als Leonard-Sparschaltung bezeichneter Umformersatz bekannt, dessen grundsätzliche Schaltung in Fig. ι wiedergegeben ist. Zwei mechanisch gekuppelte Maschinen 1 und 2 liegen elektrisch in Reihe an einem Netz konstanter Spannung. Der zu regelnde Motor 3 liegt zwischen dem Verbindungspunkt beider Maschinen 1 und 2 und einem Pol des Netzes.

Die Weiterentwicklung dieses Gedankens ist eine Schaltung, die della Riccia für Gleichstromfahrzeuge angegeben hat, welche mit mindestens zwei Motoren ausgerüstet sind. Diese bringt gegenüber der Leonard-Sparschaltung eine weitere Gewichtsverminderung. Die Fig. 2 und 3 zeigen diese grundsätzliche Schaltung, welche die Anwendung der sonst üblichen Serienparallelschaltung auf die Leonard-Sparschaltung darstellt. Der freilaufende Umformersatz, bestellt aus vier Ankern, 4, 5, 6 und 7, die mechanisch gekuppelt sind und elektrisch in Reihenschaltung an der Netzspannung U_n (Fahrdrahtspannung) liegen. Jeder der vier Anker ist für halbe Netzspannung bemessen. Die beiden Fahrmotoren 8 und 9, die auch Gruppen von Fahrmotoren sein können, sind zu Beginn der Anfahrt derart geschaltet, daß 8 an der Spannung von

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Anker 4 und 9 an der Spannung von Anker 7 liegt. Die Felder der Maschinenpaare 4, 7 und 5> 6 werden gemeinsam geregelt derart, daß zu Beginn der Anfahrt die volle Netzspannung am Maschinenpaar 5, 6 liegt, die Maschinen 4, 7 dagegen spannungslos sind. Durch gleichzeitiges Aberregen des Maschinenpaares 5, 6 und Auf erregen des Maschinenpaares 4, 7 wird erreicht, daß die Spannung an jedem der Fahrmotoren bis zur halben Netzspannung steigt und das Maschinenpaar 5, 6 spannungslos wird. Dieser Betriebszustand entspricht der Serienstellung der Fahrmotoren bei der halben Fahrgeschwindigkeit. Nun werden die Fahrmotorenanschlüsse SO' umgeschaltet, wie Fig. 3 zeigt, derart, daß .Fahrmotor 8 an der Summe der Spannungen der Umformeranker 4, 5 und 6 und Fahrmotor 9 an der Summe der Spannungen der Ankers, 6 und 7 liegt; der eben beschriebene Regelvorgang bei der Erregung der Umformeranker 5 und 6 wird rückwärts durchlaufen. Hierdurch steigt die Spannung an den Fahrmotoren von 50 auf 100% der Netzspannung. Die Anfahrt ist be-. endet. Dieser Betriebszustand entspricht der Parallelschaltung der Fahrmotoren. Diese können nun direkt an das Netz gelegt werden. Diese Regelung des Umfo-rmersatzes kann durch zwei gemeinsam angetriebene Feldregler derart erfolgen, daß seine . Drehzahl annähernd konstant bleibt.

Die Schaltung nach della Riccia hat den Vorteil, daß die gesamte Maschinenleistung des Umformers für ein bestimmtes Gleichstromfahrzeug halb so groß wie die eines Umformers nach. der Leonard-Sparschaltung ist.

Bei Verminderung der Geschwindigkeit der Motoren 8, 9 bzw. bei Nutzbremsung des Fahrzeuges vollzieht sich der geschilderte Regelvorgang in umgekehrter Reihenfolge bis zum Stillstand des Fahrzeuges.

Bei den erwähnten Anordnungen ist es erforderlieh; daß die Feldregler entweder von Hand oder selbsttätig motorisch verstellt werden. Die Betätigung von Hand erfordert aber eine verhältnismäßig hohe Geschicklichkeit des Fahrers; die autoimatische Feldregelung bedingt dagegen die Verwendung von Feldregelschaltwerken, die verhältnismäßig verwickelt sind und einer ständigen Überwachung und Unterhaltung bedürfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wesentliche Vereinfachung und Verbesserung der , 50 erwähnten Leonard-Sparschaltung und der Spannungsteilerschaltung nach della Riccia zu erzielen. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß eine derartige Selbstregelung der Umformermaschinen angewandt, daß diese als Konstantstrommaschinen arbeiten, Die Selbstregelung wird durch eine entsprechende Erregerschaltung ermöglicht. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, daß eine Regelung mittels Einzelfeldreglers entfallen kann.

Der Erfindungsgedanke kann in der Weise verwirklichf werden, daß bei Umformern mit Leonard-Sparschaltung bzw. della-Riccia-Schaltung jeweils die Magnetpole der Umformermaschinen so mit zwei oder mehreren Feldwicklungen versehen sind, von denen die eine den weitaus größeren Teil.der Erregerdurchflutung liefernde in Selbsterregung vom eigenen Anker, die zweite bzw. weiteren kleineren Wicklungen von der Spannung der anderen Anker des Um.formersatzes gespeist werden. Die neben der Selbsterregerwicklung vorhandenen, von den Ankern der anderen Maschinen gespeisten, der Steuerung dienenden Erregerwicklungen werden so geschaltet, daß der Induktionsfluß bei Gene-ratorbetrieb der Maschine verstärkt und bei Motorbetrieb der Maschine geschwächt wird.

Bei della-Riccia-Umformern kann noch eine ₇g weitere Verbesserung und Vervollkommnung erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß bei dem Maschinensatz von beispielsweise vier Teilmaschinen durch Vereinigung der mittleren Maschinen zu einer einzigen Einkommutätormaschine doppelter Spannung und doppelter Leistung eine ; wesentliche Gewichtsverminderung und Vereinfachung der Schaltung herbeigeführt wird. Dies ist von besonderer Bedeutting im Zusammenhang mit der Verwendung von Steuerwicklungen, wie sie für die selbsttätige Konstantstromregelung benötigt werden. Darüber hinaus hat dieser Vorschlag aber auch für die normale della-Riccia-Schaltung große Bedeutung, da er eine wesentlich günstigere und leichtere Bemessung des Umformersatzes sowie einfachere und betriebssicherere Ausbildung zur Folge hat.

Im folgenden soll die Erfindung näher an Hand der Fig. 8, 9 und 10 sowie der dazugehörigen Diagramme, gemäß Fig. 6 und 7, erläutert werden. Fig. 9 bezieht sich auf den einfacheren Fall der Leonard-Sparschaltung. Die beiden Maschinen des Leonard-Umformers I₁ und 2 weisen je eine Nebenschlußwicklung 18 bzw. 19 auf. Außerdem hat der Generator 1 eine Wicklung 20, die an der Spannung des Umformerankers 2 liegt, während der Umformeranker 2 eine weitere Wicklung 21 aufweist, die an der Spannung des Umformerankers 1 liegt. Für die Wirkungsweise dieser Schaltung gelten die folgenden Überlegungen: Die Steuererregerwicklung ermöglicht es, bei jeder der Umformermaschinen den resultierenden Induktionsfluß Φ_Γ gegenüber dem , der Klemmenspannung U proportionalen Fluß Φ_υ um den zusätzlichen Fluß φ₈ zu erhöhen oder zu vermindern. Demnach gilt folgende Gleichung: Φ_Γ~ Φυ - ^s- Diesen drei Flüssen entsprechen drei ihnen proportionale Spannungen, und zwar entspricht Φ_Γ die EMK E, dem Fluß Φ_υ die Klemmenspannung U und dem Fluß Φ₃ eine Spannung AU. Dementsprechend ist E= U ± AU. Hierbei bedeutet das positive ( + ) Vorzeichen Generatorbetrieb und das negative (—) Vorzeichen Motorbetrieb. Das Glied AU stellt aber nichts anderes als den ohmschen Spannungsabfall r · I der Ankerwicklung dar. Infolgedessen ergibt sich, daß der Ankerstrom bei jeder Maschine sich entsprechend dem Steuerfluß <2>_s einstellen wird. Es ergeben sich damit die folgenden Beziehungen: Ζ([/~Φ₅; AU = r-I und I ~ Φ_ε, d.h. bei magnetisch ungesättigter Maschine ist der Ankerstrom proportional der Spannung an der Steuererreger-

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wicklung. Bei der Schaltung gemäß Fig. 9 liegen nun die beiden Steuererregerwicklungen 20 und 21 an den Spannungen U₂ bzw. U₁, deren Summegleich der konstanten Fahrdrahtspannung U ist. Wird aber die Summe der Spannungen an den beiden Steuererregerwicklungen 20 und 21 gemäß Fig. 9 konstant gehalten, so sind die Summe der Steuerflüsse und damit nach den obigen Ausführungen auch die Summe der Ankerströme I₁ und I₂,

d. h. der Abgabestrom I_f des Umformers konstant. Das Diagramm der Fig. 6 gibt den Verlauf der Flüsse bzw. Spannungen in Abhängigkeit von der Größe der an den Ankern 1 und 2 liegenden Spannungen U₁ und U₂, deren Summe gleich der Netzspannung U_n ist, wieder. Die durch die Wicklungen 18 und 19 sowie die Steuerwicklungen 20 und 21 hervorgerufenen Flüsse Φ₁₈ bis Φ₂₁ sind in dem Diagramm eingetragen. Die Änderungen ihrer Werte, abhängig von den Größen U₁ und U₂, geht aus den gegenläufigen verstärkt bzw. einfach eingetragenen Linien hervor. Da, wie oben angedeutet, den Flüssen bestimmte Spannungen entsprechen, bezeichnen — da die Drehzahl des Umformers angenähert konstant ist — die geneigt eingetragenen Geraden gleichzeitig auch Spannungen. Es entspricht die ansteigende verstärkt ausgezogene Gerade der EMK₁ der Maschine 1 nach Fig. 9, die darunterliegende dünne ausgezogene ansteigende Gerade der Klemmenspannung U₁. Der Unterschied der Spannungen entspricht dem ohmschen Spannungsabfall bzw. der durch den Steuerfluß hervorgerufenen Spannung AU₁. Ebenso bedeutet die stark ausgezogene fallende Gerade die EMK₂ der Maschine 2, die darüberliegende dünne abfallende Gerade die Klemmenspannung der Maschine 2. Die Differenz der beiden Spannungen entspricht wiederum dem ohmschen Spannungsabfall bzw. der durch die Steuerwicklungen hervorgerufenen Spannung AU₂.

Man kann die KonstantstiOmbedingungen auch dadurch erfüllen, daß man die Steuererregerwicklungen von einer festen Spannung aus speist. In diesem Falle müssen dann aber die Widerstände der Selbsterregerstromkreise geändert werden.

Eine entsprechende Schaltung zeigt Fig. 10 für die Leonard-Sparschaltung. Die Änderung der Selbsterregerstnxnkreise hat bei dieser Schaltung zur Folge, daß die Wicklung αϊ in α2 und β ι in β2 übergehen (vgl. dazu die Diagramme der Fi. 7),

d. h. bezogen auf die gleiche Klemmenspannung U wird der Selbsterregerstrom der Maschine 1 um einen bestimmten Betrag größer als der der Maschine 2.

Fig. 8 der Zeichnung gibt noch die analoge An-

wendung des Erfindungsgedankens für einen della-Riccia-Maschinensatz wieder, bei dem erfindungsgemäß gegenüber den Schaltungen nach Fig. 2 und 3, wie die Fig. 4 und 5 erkennen lassen, die Umformermaschinen 5 und 6 durch eine einzige Einkommutatormaschine der doppelten Leistung, wie sie für sich die Maschinen 5 bzw. 6 aufweisen, ersetzt ist. In der Zeichnung der Fig. 8 bedeuten 8 und 9 zwei Fahrmotoren, die Maschinen 4 und 7 die beiden Außenmaschinen des Umformersatzes, die je für die halbe Netzspannung bemessen sind, sowie 10 die innenliegende Maschine des Umformersatzes, die für die volle Fahrdrahtspannung ausgelegt ist. 11, 12 und 13 sind die Nebenschlußerregerwicklungen der Maschinen ίο, 4 und 7; 15 und 14 die Steuerwicklungen der Umformermaschinen, wobei für die beiden Maschinen 4 und 7 nur eine Steuerwicklung wegen des gemeinsamen Ständers der beiden Maschinenanker 4 und 7 vorgesehen zu \verden braucht.

Hervorzuheben ist noch, daß mit Hilfe der Widerstände 17 in Fig. 8, 22 in Fig. 9 sowie 23 in Fig; 10 der Strom der Steuerwicklungen geregelt werden kann, um damit den Belastungsstrom einstellen zu können.

Die bisherigen Ausführungen, gelten nur für magnetisch ungesättigte Maschinen. Um den Einfluß der Krümmung der Magnetisierungskennlinie auf die Konstanz des Fahrmotorenstromes und der Umformerdrehzahl zu beseitigen, werden auf die Pole der Maschinen weitere Wicklungen 24 und 25 in Fig. 11 aufgebracht, die vom Strom der zugehörigen Anker durchflossen werden, also Kompoundwicklung sind. Ihre Durchflutungen müssen, wie man nachweisen kann, den Durchflutungen der Steuererregerwicklungen 20 bzw. 21 entgegengesetzt wenden, die dann ihrerseits um den Durchflutungsbetrag der Kompoundwicklung zu vergrößern sind. Der generatorische Umformerteil entspricht damit einer Krämerschen Konstantstrommasohine, so daß näheres Eingehen auf die Wirkungsweise sich erübrigt.

Ein wesentlich wirksameres Mittel zur Ausgleichung der Abweichungen des entnommenen. Stromes Ip vom angestrebten konstanten Wert zeigt die Anordnung von Fig. 12. Hier sind die dritten Erregerspulen 26,27 vom konstant zu haltenden Strom Ip selbst durchflossen. Ihre Magnetisierungsrichtung ist ebenfalls derjenigen der Steuererregungswicklung entgegenzusetzen. Letztere hat also zwei Aufgaben zu erfüllen. Erstens muß sie wie beim ungesättigten Umformer den Spannungsabfall ausgleichen, und zweitens muß sie der Durchflutung der Reihenwicklung 26, 27 das Gleichgewicht halten. Wie die punktweise Berechnung zeigt, wird durch diese Maßnahme der Abgabestrom des Umformers auch bei magnetischer Sättigung der Hauptmaschine nahezu konstant gehalten. In qualitativer Betrachtung gilt folgendes: Stimmt der Strom Ip nicht mit dem durch die S teuer erregung eingestellten Wert überein, ist er beispielsweise zu groß, so wird die Gesamterregung beim Generator 1 geschwächt, beim Motor 2 gestärkt, und die Folge davon ist ein Absinken des Belastungsstromes Ip in Richtung auf den eingestellten Wert.

Die Annäherung des Belastungsstromes I_F an den angestrebten konstanten Wert wird um so größer sein, je mehr Reüheriwicklungeri 26, 27 aufgebracht werden. Dann sind aber auch um so mehr Steuererregungswicklungen20, 21 erforderlich, d.h. um so größer wird das Erregerkupfergewicht und

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der notwendige Wickelraum. Es wird also um so mehr Umformergewicht erforderlich, je geringer die noch zugelassenen Abweichungen des Stromes//? vom Sollwert sind.

Dieses Mehrgewicht kann verringert werden, wenn man die Subtraktion der Stromwindungen 26, 27 von den S teuererregungs windungen 20, 21 nicht auf den Polen der Maschine 1 und 2, sondern auf den Polen einer besonderen kleinen Erregermaschine vornimmt. Es ergibt sich dann die Schaltung der Fig. 13. Die verhältnismäßig kleinen Spulen 31, 32 der Zusatzerregung auf den Polen der Umformermaschinen 1 und 2 werden von einer Erregermaschine 28 gespeist, die von der Welle des Umformersatzes angetrieben wird, und deren Pole zwei Wicklungen tragen. Eine Wicklung 30 mit vielen Windungen dünnen Drahtes, die vom Steuererregerstrom i_f gespeist wird und ,eine Hochstromwicklung 29, mit wenigen Windungen großen Querschnittes, die vom Belastungsstrom I_f durchflossen wird. Beide Erregerdurchflutungen wirken einander entgegen. Da der Strom i_z in den Zusatzspulen 31, 32 der Maschinen 1 und 2 nur einen Bruchteil der Gesamtdurchflutung zu liefern hat, wird die Erregermaschine 28 sehr klein, trotzdem sie nur im ungesättigten Teil ihrer Magnetisierungslinie betrieben wird. Der Strom i_f in der Spule 30 ist, wie erwähnt, der Steuererregerstrom. Er beträgt als Erregerstrom der Erregermaschine nur einen kleinen Bruchteil des Stromes i₂. Es ergibt sich somit eine sehr große Übersetzung zwischen dem Steuererregerstrom i_f und dem Belastungsstrom/_/; die beide einander annähernd proportional sind. Der Umformersatz kann also mit außerordentlich kleinen Strömen gesteuert werden.

Eine zweite Entwicklung der Anordnung mit Erregermaschine ist in Fig. 14 gezeigt. Die Schaltung hat den besonderen Vorteil, daß als Maschinen ι und 2 normale Nebenschlußmaschinen verwendet werden können. Der Anker 28 der Erregermaschine, die auf ihren Polen wieder die beiden Wicklungen 29 und 30 trägt, ist zwischen den Verbindungspunkt der beiden in Reihe liegenden Anker 1 und 2 und den Verbindungspunkt der ebenfalls in Reihe liegenden Nebenschlußfeldwicklungen 18, 19 gelegt. DieAbweichung der gesamten Erregerdurchflutung der Umformermaschinen 1 und 2 von der reinen Selbsterregung wird hierbei nicht durch zweite Erregerwicklungen erreicht, sondern durch entsprechende Veränderung der Erregerspannungen gegenüber der reinen Selbsterregung. Nach der Schaltung wird nämlich die Spannung der Maschine 28 im Betrag von wenigen Prozenten der Netzspannung beim Generator zur

Klemmenspannung addiert und beim Motor' subtrahiert. Wenn man das Mehrgewicht, das sich durch die Reihenwicklung auf den Polen der Maschinen ι und 2 entsprechend der Ausführung von Fig. 11 oder 12 oder durch die Erregermaschine entsprechend der Ausführung von Fig. 13 oder 14 ergibt, sparen will, so kann man die von der Eisensättigung hef rührenden Ungleichmäßigkeiten durch einen normalen Feldregler ausgleichen lassen. In Fig. 15 ist das entsprechende Schaltbild gezeichnet, wobei angenommen wurde, daß ein Kohledruckregler verwendet wird, dessen Kohlensäule 34 zusammengedrückt wird, wenn die Wirkung der Magnetspule 35 überwiegt, und die entlastet wird, wenn die Wirkung der Spule 36 überwiegt, die vom Strom I_f durchflossen wird. Die Spule 35 wird von der Netzspannung oder von einer besonderen Stromquelle über einen regelbaren Widerstand 37 erregt, mit dem der Vergleichstrom if und damit der Sollwert des Belastungsstromes eingestellt werden kann. An Stelle des gezeichneten Kohledruckreglers kann auch jeder beliebige Regler verwendet werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Gleichstromumformersatz in Leonard-Sparsdhaltung oder in della-Riccia-Schaltung zur Umformung elektrischer Gleichstromleistung in solche von veränderlicher Spannung, insbesondere zur Speisung von Bahnmotoren, gekennzeichnet durch eine derartige Selbstregelung der Umformermaschinen, daß diese als Konstantstrommaschinen betrieben werden.

2. Gleichstromumformersatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupterregerwicklungen auf den Polen der Umformermaschinen jeweils von der eigenen Ankerspannung erregt sind (Selbsterregerwicklungen) und daß weitere kleinere Wicklungen (Steuerwicklungen), die nur den Spannungsabfall der einzelnen Maschinen auszugleichen haben, von den Spannungen der anderen Maschinen des Umformersatzes derart erregt sind,, daß der Induktionsfluß bei Generatorbetrieb verstärkt und bei Motorbetrieb geschwächt wird (Fig. 9).

3. Gleichstromumformersatz in Leonard-Sparschaltung oder in della-Riccia-Schaltung zur Umformung elektrischer Gleichstromleistung konstanter Spannung in solche annähernd konstanten Stromes oder umgekehrt nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haupterregerwicklungen der Einzelmaschinen des Umformersatzes selbsterregt sind, die kleineren Steuerwicklungen aber von einer besonders regelbaren Stromquelle oder auch von der Netzspannung selbst über Regelwiderstände fremderregt sind (Fig. 10).

4. Umformersatz nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichungen des Belastungsstromes vom angestrebten konstanten Wert, die durch die Krümmung' der Magnetisierungslinie entstehen, durch eine dritte Erregerwicklung der Einzelmaschinen des Umformersatzes ausgeglichen wird, die vomStrom im jeweils zugehörigen Anker durchflössen wird und die so geschaltet ist, daß sie der S teuererregungs wicklung entgegenwirken (Fig. 11).

5. Umformersatz nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des Belastungsstromes (I_f) des zu regelnden Ver-

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brauchers vom angestrebten konstanten Wert durch eine dritte Erregerwicklung der Einzelmaschinen ausgeglichen wird, die vom konstant haltenden Strom (I_f) selbst durchflossen

zu

ist, und die so geschaltet ist, daß sie der Steuererregungswicklung entgegenwirkt (Fig. 12).

6. Umformersatz nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Einzelmaschinen und zur Einsparung von Maschinengewicht die Subtraktion der Erregerdurchflutungen, die vom Belastungsstrom und Steuererregerstrom herrühren, nicht auf den Polen der Einzelmaschinen vorgenommen wird, sondern in einer besonderen kleinen Erregermaschine, deren Pole durch zwei einander entgegenwirkende Spulen erregt werden, von denen die eine (29 in Fig. 13) vom Belastungsstrom, die andere (30) vom Steuererregungsstrom durchflossen wird, und deren Anker (28) die Zusatzerregerwicklungen (31, 32) der Einzelmaschinen des Umformers speist.

7. Umformersatz nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (28) der Erregermaschine zwischen den Verbindungspunkten der in Reihe geschalteten Anker der Hauptmaschinen (1 und 2) und den Verbindungspunkt der ebenfalls in Reihe geschalteten Nebenschlußwicklungen (18, 19) der Hauptmaschinen gelegt wird, so daß durch die im Anker (28) entstehende Spannung das selbsterregte Nebenschlußfeld der als Generator arbeitenden Maschinen gestärkt und daß der als Motor arbeitenden Maschine geschwächt wird (Fig. 14).

8. Umformersatz nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des Belastungsstromes vom konstanten Wert durch einen an sich bekannten selbsttätigen Feldregler ausgeglichen wird, der auf die Steuererregung einwirkt.

9. Gleichstromumformersatz nach Anspruch 1, bei dem nach della Riccia mehrere Anker des Umformersatzes in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle von zwei Ankern in der Mitte der in Reihe geschalteten Maschinen eine einzige Einkommutatormaschine doppelter Leistung mit nur einer Ankerwicklung eingeschaltet ist (Fig. 8).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen