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Selbsttätige Parallelschalteinrichtung für Wechselstromgeneratoren
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine selbsttätige Parallelschalteinrichtung
von Wechselstromgeneratoren, speziell auf eine kontaktlose Einrichtung zur Steuerung
der Zuschaltung eines Wechselstromgenerators auf ein eingespeistes Netz oder auf
eine Sammelschiene für den Parallelbetrieb mit einem oder mehreren anderen Generatoren.
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Arbeitet ein Wechselstromgenerator im Parallelbetrieb mit einem oder
mehreren anderen Generatoren zusammen, so müssen die Generatoren miteinander im
Synchronismus sein. Auch wenn der hinzukommende Generator auf ein Netz oder auf
eine Sammelschiene geschaltet wird, mit dem oder der die anderen Generatoren bereits
verbunden sind, muß Synchronismus vorliegen. Dies bedeutet, daß die Spannung, die
Frequenz und der Phasenwinkel des hinzukommenden Generators und die des Netzes die
gleichen sein müssen, bzw. in bestimmten Grenzbereichen gleich sein müssen, um ein
Außertrittfallen des Übertragungssystems zu verhindern. Der hinzukommende Generator
wird also mit dem Netz synchronisiert.
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Sind die Generatoren mit Steuereinrichtungen oder Reglern ausgerüstet,
die die Frequenz und die Spannung der Generatoren auf einem gewünschten Wert halten,
so kann die Parallelschaltung mit Einrichtungen zur Erfassung der Spannung, der
Frequenz und des Phasenwinkels zwischen den Generatoren ausgeführt werden. Die Anzeigeeinrichtungen
dienen dann zur Steuerung des Lastschalters für den hinzukommenden Generator und
bewirken, daß der Lastschalter im richtigen Augenblick, wenn der hinzukommende Generator
genügend im Synchronismus ist, schließt.
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Bisher wurden hierzu Relais verwendet. Die für diesen Zweck vorgesehenen
Relais haben in bestimmten Anwendungsfällen verschiedene Nachteile, insbesondere
in elektrischen Einrichtungen für Luftfahrzeuge. Die elektrischen Relais müssen
sorgfältig bemessen und justiert werden, damit sie genügend genau kleine Frequenz-
und Phasenunterschiede anzeigen. Es ist sehr schwierig, die gewünschte Bemessung
dieser hochempfindlichen Relais unter den Bedingungen in Luftfahrzeugen, wenn solche
Relais großen Beschleunigungskräften, starker Vibration, extremen Temperaturen und
anderen widrigen Umweltbedingungen ausgesetzt werden, ständig einzuhalten. Die Relais
der vorerwähnten Type werden daher relativ unhandlich, was bei Luftfahrzeugen, bei
denen der Umfang und das Gewicht auf einem Minimum gehalten werden soll, unerwünscht
ist. Derartige selbsttätige Parallelschalteinrichtungen, wie sie bisher mit elektromagnetischen
Relais verwendet wurden, sind daher nicht geeignet für Luftfahrzeuge. Sie sind nicht
genügend zuverlässig und können nicht so klein und kompakt ausgebildet werden, wie
es notwendig wäre.
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Es sind auch Parallelschalteinrichtungen bekanntgeworden, bei denen
zur Erfassung der Frequenz-und der Phasendifferenz zwei Transformatoren benutzt
sind, von denen die Sekundärspannung des einen Transformators gegenüber der Sekundärspannung
des anderen Transformators entsprechend der Frequenzdifferenz phasenverschoben ist.
Gegenüber dieser Anordnung wird der Aufwand bei der neuen Parallelschalteinrichtung
wesentlich verkleinert, da sie mit nur einem Transformator für den gleichen Meßzweck
auskommt.
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Weiterhin ist es bekannt, zur Kupplung der Phasenleiter eines Netzes
und einer zuzuschaltenden Maschine die Primärwicklungen eines Transformators mit
den einander entsprechenden Phasenleitern so zu verbinden, daß an der Sekundärwicklung
des Transformators eine der Frequenz- und Phasendifferenz proportionale Spannung
auftritt. Diese Anordnung genügt zwar im allgemeinen den Bedingungen, die eingehalten
werden müssen, wenn zwei Netze miteinander gekuppelt werden sollen und es sich dabei
um große starre Netze handelt. Will man jedoch einzelne Generatoren miteinander
oder einen Generator mit einem kleineren Netz kuppeln, wobei die Spannungs-
Schwankungen
sehr groß sein können, so genügt fliese bekannte Schaltung nicht mehr, da sie eine
Parallelschaltung auch dann zuläßt, wenn beide Generatoren weit vom Spannungssollwert
abgewichen sind, falls nur die Frequenz- und Phasendifferenz genügend klein sind.
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Die neue Anordnung besteht erfindungsgemäß darin, daß die Meßkreise
aus kontaktlosen Bauelementen aufgebaut sind, wobei erstens zur Erfassung der Frequenz-
und Phasendifferenz die Primärwicklung eines Transformators mit je einer Klemme
an einem Wechselstromgenerator angeschlossen ist, während seine Sekundärwicklung
an eine Gleichrichterbrücke angeschlossen ist, zu deren Ausgang ein Kondensator
parallel liegt, und zweitens für jeden Wechselstromgenerator ein Spannungsmeßkreis
zur Erfassung einer Unter- oder überspannung vorgesehen ist und daß ferner die Ausgänge
der Meßkreise miteinander verbunden sind, derart, daß die Summe der Ausgangsspannungen
bei einem bestimmten Summenwert unmittelbar auf den Leistungsschalter in an sich
bekannter Weise im Sinne der Parallelschaltung einwirkt.
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Außerdem verwendet man bei einer anderen bekannten Einrichtung zur
Synchronisierung unterschiedliche Meßwerke für den Frequenz-, Spannungs-und phasenvergleich,
die mittelbar über je ein kontaktbehaftetes Vergleichsrelais auf das Parallelschaltglied
einwirken. Demgegenüber stellt die Vergleichseinrichtung zur Erfassung der Frequenz-
und Phasendifferenz durch die ausschließliche Verwendung eines Transformators mit
nachgeschalteter Gleichrichterbrücke und einem Glättungsglied einen wesentlich einfacheren
Aufbau dar. Außerdem ist bei der neuen Anordnung zusätzlich für jeden Generator
eine eigene Meßanordnung für den Absolutwert der Spannung vorgesehen, so daß nicht
nur die Spannungsdifferenz, sondern auch der Absolutwert jeder Generatorspannung
berücksichtigt wird.
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Dadurch, daß nur kontaktlose Elemente mit kleinem Gewicht und hoher
Zuverlässigkeit benutzt werden, kann die Einrichtung sehr klein und kompakt gebaut
werden und ist von hoher Zuverlässigkeit, weil keine empfindlichen Relais oder andere
Einrichtungen, die eine genaue Bemessung erfordern, notwendig sind.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an einer Parallelschalteinrichtung
für zwei Wechselstromgeneratoren 1 und 2 beliebiger Type erläutert.
Bei den dargestellten Generatoren handelt es sich um Dreiphasengeneratoren, deren
Sternpunkt geerdet ist. Die Generatoren 1 und 2 sind mit dem Dreiphasennetz bzw.
mit den Sammelschienen 3 und 4 zur Speisung der Verbraucherleitungen 5 verbunden.
Sie können über den Lastschalter 6 für den Parallelbetrieb zusammengeschaltet werden,
der seinerseits die Sammelschienen 3 und 4 miteinander verbindet. Der Lastschalter
6 kann irgendeiner Type angehören und enthält eine Schließwicklung 7, die selbsttätig
gesteuert wird und die je nach Wunsch mit weiteren Vorrichtungen für eine selbsttätige
oder für Handsteuerung versehen ist. Der Lastschalter 6 hat ferner eine Auslösewicklung
8, die je nach Wunsch von Hand oder selbsttätig gesteuert wird.
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Wie vorher auseinandergesetzt, muß der Lastschalter 6 so gesteuert
werden, daß er sich nur dann schließt, wenn der hinzukommende Generator genau genug
im Synchronismus mit dem Netz ist, so daß die Parallelschaltung möglich ist. Der
Lastschalter 6 muß daher so gesteuert werden, daß er nur dann schließen kann, wenn
die Spannungen, die Frequenzen und die Phasenbeziehungen des parallel zu schaltenden
Generators und des Netzes genügend übereinstimmen, so daß der Generator in Synchronismus
gezogen wird. Hierzu sind bei der vorliegenden Erfindung kontaktlose Einrichtungen
zur Messung der Spannung, Frequenz- und Phasendifferenz und zur Erzeugung eines
Signals für die Schließwicklung 7 des Lastschalters vorgesehen.
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Die Meßeinrichtung zur Erfassung der Frequenz-und der Phasendifferenz
enthält einen Transformator 10, dessen Primärwicklung, wie dargestellt, mit den
entsprechenden Phasen der beiden Generatoren verbunden ist, die in Phase sein müssen,
wenn die Generatoren synchron betrieben werden sollen. Die Primärwicklung des Transformators
10 ist derart mit einer Phase der beiden Generatoren verbunden, daß die Eingangsspannungen
sich vektoriell subtrahieren und die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung des Transformators
ein Maximum ist, wenn die Primärspannungen elektrisch um 180° in Gegenphase liegen,
und ein Minimum, wenn die Primärspannungen genau in Phase sind, wobei die Ausgangsspannung
mit einer Frequenz pulsiert, die der Frequenzdifferenz zwischen den beiden Generatoren
entspricht. Die Ausgangsspannung des Transformators 10 ist daher ein Maß
für die Phasen- und Frequenzdifferenz zwischen den beiden Generatoren und nimmt
ab mit Annäherung an den Synchronismus.
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Eine Vollweggleichrichterbrücke 11 ist an die Sekundärwicklung des
Transformators 10 angeschlossen. Sie ändert ihre Gleichstromausgangsspannung
mit der Phasendifferenz zwischen den Generatoren. Sie wird eine Frequenzwelligkeit
enthalten, die gleich ist der Frequenzdifferenz oder der Schwebungsfrequenz zwischen
den beiden Generatoren. Somit wird der Mittelwert der Ausgangsspannung des Gleichrichters
11 proportional der Schwebungsfrequenz und der Phasendifferenz zwischen den beiden
Generatoren sein und abnehmen, wenn diese kleiner werden. Ein Filterkreis, der einen
Kondensator 12 und, wenn gewünscht, einen einstellbaren Widerstand 13 enthält, ist
mit dem Ausgang des Gleichrichters 11 verbunden und kompensiert die Oberwelligkeit,
ohne den Mittelwert der Spannung zu ändern. Es ist ersichtlich, daß die gefilterte
Ausgangsspannung des Gleichrichters 11
ein Maß für die Schwebungsfrequenz
und die Phasendifferenz zwischen den beiden Generatoren darstellt und abnimmt, wenn
sie sich dem Synchronismus nähern.
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Die gefilterte Ausgansspannung des Gleichrichters 11 wird über einen
einstellbaren Widerstand 14 einer Zenerdiode 15 geführt, die ihrerseits mit
der Basis eines Transistors 16 verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors ist
bei 17 mit Erde verbunden, so daß die Ausgangsspannung des Gleichrichters an Basis
und Emitter des Transistors über der Zenerdiode 15 liegt.
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Für die Zenerdiode wird eine Halbleiterdiode verwendet, gebräuchlicherweise
eine Siliziumdiode, mit vorzugsweise solcher Charakteristik, daß sie in der Gegenrichtung
so lange nichtleitend ist, als die Spannung unter einer bestimmten Durchbruchspannung
liegt. Wenn die umgekehrte Spannung diesen Wert überschreitet, so wird die Diode
in der umgekehrten Richtung leitend, aber sie gewinnt ihre gleichrichtende Charakteristik
wieder, wenn die umgekehrte
Spannung wiederum unter diesen Wert
fällt. Diese Einrichtungen sind für die Spannungsmeßeinrichtungen wesentlich, weil
sie einen Stromfluß in der umgekehrten Richtung nur dann zulassen, wenn die umgekehrte
Spannung über einem vorgegebenen Wert liegt.
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Der Wert der Durchbruchspannung der Diode 15 ist so ausgewählt, daß
sie nichtleitend wird, wenn die Ausgangsspannung des Gleichrichters 11 unter
einen bestimmten Wert absinkt, der mit der maximalen Schwebungsfrequenz und Phasendifferenz
bei der Parallelschaltung der Generatoren 1 und 2 übereinstimmt. Die
exakte Spannung, bei der die Schaltung erfolgen soll, wird am Widerstand
14 eingestellt. Ist die Schwebungsfrequenz und die Phasendifferenz zwischen
den beiden Generatoren zu groß, so ist die Diode 15 leitend, und der Strom fließt
zur Basis des Transistors 16. Dieser ist nunmehr leitend zwischen Kollektor
und Emitter. Der Kollektor ist über den Widerstand 18 mit einer Gleichstromhilfsquelle
19
verbunden, die hier schematisch als Batterie dargestellt ist. Ihre positive
Klemme ist mit einem Gleichstromspeiseleiter 20 verbunden, und ihre negative
Klemme liegt an Erde 21.
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Der Kollektor des Transistors 16 ist ferner mit einem Gleichrichter
22 verbunden. Für diesen Gleichrichter kann eine Halbleiterdiode oder irgendein
anderer Gleichrichter verwendet werden. Der Gleichrichter 22 ist im Vergleich zur
Spannung des Kollektors gepolt angeschlossen. Wie ersichtlich, ist dann, wenn der
Transistor leitend ist, der Gleichstromhilfskreis über den Widerstand
18 und den Transistor mit der Erde 17 verbunden, so daß kein Ausgangssignal
am Kollektor, der an Erdpotential liegt, vorliegt. Immer dann, wenn die Diode 15
unterbricht, wird der Transistor 16 nichtleitend, und am Kollektor tritt eine Gleichstromhilfsspannung
auf und erzeugt eine Steuerspannung am Gleichrichter 22. Der Gleichrichter
22 bildet einen Teil eines »Und«-Gatters, welches nur dann ein Ausgangssignal
abgibt, wenn alle von einer Mehrzahl von Eingangssignalen vorhanden sind, was später
genauer beschrieben wird.
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Wie vorher schon angedeutet, ist es also für die Parallelschaltung
erforderlich, daß die Spannungen der Generatoren im wesentlichen gleich sind und
sich innerhalb eines gewissen Bereiches befinden müssen. Die Einrichtung nach der
vorliegenden Erfindung enthält daher einen Spannungsmeßkreis für jeden Generator.
Die Spannungsmeßkreise sind für beide Generatoren die gleichen, und es ist daher
nur notwendig, einen zu beschreiben. Der Spannungsmeßkreis für den Generator
1 enthält einen Spannungsteiler, bestehend aus zwei Widerständen 23 und 24,
die in Reihe zueinander liegen und zwischen einem Phasenleiter des Generators 1
und Erde 25 geschaltet sind. Die Spannung am Widerstand 24 wird über einen
Halbweggleichrichter 26 gleichgerichtet. Ein Filter, bestehend aus einem
Kondensator 27, ist vorgesehen, um die Oberwelligkeit zu vermindern. Die gleichgerichtete
Spannung, die der Generatorspannung proportional ist, wird einem einstellbaren Potentiometer
28 zugeführt. Getrennte Unterspannungs-und überspannungsmeßeinrichtungen stehen
in Abhängigkeit von den Spannungen an den zwei Teilen des Potentiometers.
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Der Unterspannungsmeßkreis enthält eine Zenerdiode 29, die,
wie dargestellt, an der Spannung eines Teiles des Potentiometers 28 liegt. Wenn
die Generatorspannung sich innerhalb eines gewünschten Bereiches befindet, so ist
die der Zenerdiode 29 zugeführte Spannung hoch genug, um die Durchbruchspannung
zu überschreiten. Die Diode 29 ist dem Gleichrichter 30 entgegengeschaltet,
der mit dieser so gepolt ist, daß dann, wenn die Diode 29 leitend ist, der Gleichrichter
30 in Sperrichtung beaufschlagt wird. Dies trifft dann zu, wenn die Spannung
des Generators über dem unteren Wert des zulässigen Spannungsbereiches liegt. Der
Gleichrichter 30 stellt einen Teil des vorher erwähnten »Und«-Gatters dar
und ist mit der Gleichstromhilfsquelle 19 über den Leiter 31 und den
Widerstand 39 verbunden. Wenn die Generatorspannung unter dem kleinsten Wert
der zulässigen Spannung absinkt, unterbricht die Diode 29 das Signal zum Gleichrichter
30, und der Strom kann nun über den Gleichrichter vor der Gleichstromquelle 19 zur
Erde über den Begrenzungswiderstand 32 fließen.
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Die Spannungsmeßeinrichtung enthält ferner einen überspannungsmeßkreis
mit einer Zenerdiode 33, die mit dem Potentiometer 28 und der Basis des Transistors
34 verbunden ist. Der Emitter dieses Transistors ist mit Erde verbunden, so daß
Basis und Emitter über die Diode 33 an der Potentiometerspannung liegen. Der Kollektor
des Transistors ist über den Leiter 35 mit dem Gleichrichter 36 verbunden, der einen
Teil des »Und«-Gatters darstellt. Die Zenerdiode 33 ist so bemessen, daß dann, wenn
die Spannung des Generators unter der Höchstgrenze für die Parallelschaltung liegt,
die Diode 33 sperrt und der Transistor 34 zwischen Kollektor und Emitter
daher nichtleitend ist und somit kein Strom zur Basis fließen kann. Der Gleichrichter
36 ist unter diesen Bedingungen von der Gleichstromquelle 19 in Sperrichtung über
den Leiter 37 und den Widerstand 38 beeinflußt. Wenn die Spannung des Generators
den höchstzulässigen Wert übersteigt, wird die Diode 33 leitend und ermöglicht einen
Stromfluß zur Basis des Transistors 34, so daß dieser leitend wird und ein
Gleichstromsignal zum Gleichrichter 36 über den Leiter 35 zur Erde abgeführt wird.
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Wie schon vorher erwähnt, ist die gleiche Spannungsmeßeinrichtung
auch für den Generator 2 vorgesehen. Die entsprechenden Bauelemente erhalten die
gleichen Bezugszeichen mit Beistrich. Liegt die Spannung des Generators
2 über einem Mindestwert, wird ein umgekehrter Einfluß auf den Gleichrichter
30' ausgeübt. Liegt die Spannung unter einem Maximalwert, wird ein umgekehrter Einfluß
auf den Gleichrichter 36' ausgeübt.
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Wie vorher erläutert, bilden die Gleichrichter 22, 30, 30', 36, 36'
zusammen ein »Und«-Gatter, das in der dargestellten Einrichtung zur Steuerung des
Leistungsschalters 6 verwendet wird. Der Leiter 20 ist über den Widerstand 39 mit
diesen fünf Gleichrichtern in ihrer Vorwärtsrichtung über die Leiter 31 und
40 verbunden. Wird kein entgegengesetztes Steuersignal einem dieser Gleichrichter
zugeführt, so kann der Strom von dem Gleichstromspeiseleiter 20 über den Gleichrichter
22 und den Widerstand 41 zur Erde 17 und über die Gleichrichter 30 und 30', die
Widerstände 32 und 32' zur Erde 25 bzw. 25' sowie über
die Gleichrichter 36 und 36' und die Transistoren 34 und 34' zur Erde abfließen,
wenn die Transistoren 34 und 34' leitend sind.
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Die Gleichstromspeisequelle ist ferner über den Widerstand 39 und
den Leiter 42 mit einer Steuereinrichtung
43 verbunden.
Für die Steuereinrichtung 43 kann irgendeine geeignete Steuereinrichtung,
z. B. eine kontaktlose Steuereinrichtung mit einer bistabilen Kippschaltung, einer
Flip-Flop-Schaltung oder einem Verstärker verwendet werden, der dem Leiter
44 ein Ausgangssignal zuführt, wenn der Kontrolleinrichtung über den Leiter
42 ein Signal zugeführt wird. Der Leiter 44 ist zur Speisung der Schließspule
7 des Schalters 6 mit dieser verbunden, so daß der Schalter schließt, wenn der Steuereinrichtung
43 über den Leiter 42 ein Signal zugeführt wird.
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Liegt die Spannung eines der beiden Generatoren über dem höchstzulässigen
Wert, so wird der Transistor 34 oder 34' leitend, und das Signal der
zugeordneten Gleichrichter 36 oder 36' wird unwirksam. Ähnlich liegen die Verhältnisse,
wenn die Spannung eines der Generatoren unter einem minimalen Wert liegt, denn dann
unterbrechen die Dioden 29 und 29' die entgegengesetzten Einflüsse der zugeordneten
Gleichrichter 30 oder 30'. Wenn die Schwebungsfrequenz oder Phasendifferenz
zwischen den beiden Generatoren zu groß ist, so wird der Transistor 16 leitend und
der entgegengesetzte Signaleinfluß vom Gleichrichter 22 aufgehoben. Liegt eines
dieser Betriebsverhältnisse vor, so wird der Gleichstromhilfskreis mit dem Gleichrichter
22 über die entsprechenden Widerstände oder die Gleichrichter an Erde gelegt, und
am Leiter 42 tritt kein Signal auf. Liegt die Spannung beider Generatoren innerhalb
des gewünschten Bereiches, werden den Gleichrichtern 30, 30', 36 und
36' Signale zugeführt. Kommen die Schwebungsfrequenz und die Phasendifferenz
zwischen den beiden Generatoren innerhalb des zulässigen Bereiches für die Parallelschaltung,
so fällt die Ausgangsspannung des Gleichrichters 11 unter den Durchbruchspannungswert
der Diode 15. Der Transistor 16 wird somit nichtleitend, so daß dem Gleichrichter
22 ein Signal zugeführt wird. Sind alle fünf Gleichrichter in entgegengesetzter
Richtung vom Strom durchflossen, so wird dem Gleichstromhilfskreis zwischen Leiter
42 und dem Widerstand 39, der seinerseits die Steuereinrichtung 43 zum Schließen
des Schalters 6 und zur Parallelschaltung der Generatoren betätigt, ein Signal zugeführt.
Somit können die Generatoren nur parallel geschaltet werden, wenn die Bedingungen
hierfür richtig sind. Dies ist dann der Fall, wenn die dem »Und«Gatter zugeführten
Signale anzeigen, daß die Spannungen beider Maschinen in einem vorgegebenen Bereich
liegen und die Schwebungsfrequenz und Phasendifferenz innerhalb bestimmter Grenzen
liegt.
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Es sollte nun offenbar sein, daß diese kontaktlose selbsttätige Parallelschalteinrichtung
speziell für die Luftfahrt geeignet ist, weil sie sehr klein und robust ist. Die
kontaktlosen Elemente sind von hoher Festigkeit und können sehr klein und eng zusammengebaut
werden. Die verschiedensten Abänderungen und andere Baumöglichkeiten der Einrichtung
nach der Erfindung sind möglich.
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Der besondere Vorteil der neuen Parallelschalteinrichtung, der die
Schwierigkeiten und Nachteile der bekannten Einrichtungen mit elektromagnetischen
Relais vermeidet, liegt darin, daß er eine höhere Zuverlässigkeit als die vorher
erwähnten Einrichtungen aufweist und für eine genaue Steuerung des Leistungsschalters
vorgesehen werden kann.