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Netzkennlinienregler für kombinierte Frequenz-Leistungsregelung in
Verbundnetzen mit Regelkraftwerken unterschiedlicher Regelfähigkeit Das Hauptpatent
1214 312 betrifft einen Netzkennlinienregler für kombinierte Frequenz-Leistungsregelung
in Verbundnetzen, bei dem zwei oder mehrere getrennte Stellgrößenausgänge mit getrennt
voneinander einstellbaren Stellgrößenfunktionen für Regelkraftwerke unterschiedlicher
Regelfähigkeit vorhanden sind. Als Netzkennlinienregler ist dort ein analoger Mehrfachregler
vorgesehen, bei dem Proportional- und Integralanteile der Einzelstellsignale unabhängig
voneinander einstellbar sind, und zwar unter sich im gleichen Stehkanal und auch
gegenüber den Anteilen in anderen Stehkanälen, wobei im Mehrfachregler ein Integralglied
mit mehreren Ausgängen für die unterschiedlichen Integralanteile vorgesehen ist.
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Im Kraftwerks- und Netzbetrieb besteht der Wunsch, durch zweckmäßige
Wahl bzw. Verteilung der von den Kraftwerken geforderten Leistungen ein Kostenminimum
zu erreichen. Hierfür dienen an sich bekannte energiewirtschaftliche Optimierungsgeräte.
Ein energiewirtschaftliches Optimierungsgerät für den Verbundvertrieb (Sielomat)
ist beispielsweise in »Elektrizitätswirtschaft«, 1956, Heft 17, S.600 bis 605; ferner
in »Elektrizitätswirtschaft«, 1958, Heft 7, S. 173. bis 180, Heft 10, S. 301 bis
307, und Heft 13, S. 389 bis 392, beschrieben. Mit einem solchen Optimierungsgerät-wird
die Aufabe gelöst, die Verteilung der Netzlast auf die einzelnen Kraftwerke so zu
berechnen, daß die Kraftwerke alle mit gleichen Lieferungszuwachskosten arbeiten.
Dann werden die Gesamtkosten ein Minimum. Die fiefe,-rungszuwachskosten sind von
der Gesamtbelastung des Netzes abhängig.
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Es ist schon bekannt, das Eingangssignal eines Optimierungsgerätes
der vorgenannten. Art vom Ausgangssignal eines für die eigentliche Regelung verwendeten
Einfachnetzreglers bekannter Art abzuleiten und gleichzeitig die Ausgangssignale
des Optimierungsgerätes über einfache integrale Stellmotoren, die z. B. Potentiometer
antreiben, zur Einstellung der Grundleistungssignale für die Kraftwerke zu verwenden.
Da aber die Verstellung des A-Wertes in Abhängigkeit vom Netzreglerausgangssignal
erfolgt, das auch den einzelnen Kraftwerken als eigentliches Regelsignal zugeführt
wird, ist die zeitliche Einstellung der optimalen Lastverteilung an die aus regeldynamischen
Gründen erforderliche Einstellung der Netzregelung gebunden. Die regeldynamische
Einstellung muß im Hinblick auf Regelstabilität, Frequenzbandbreite und Schwankungsbereich
der übergabeleistungen erfolgen.
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Im allgemeinen wird im praktischen Betrieb von einem vollautomatischen
Netzkennlinienregler gefordert werden, daß er das Gleichgewicht zwischen Erzeugung
und Verbrauch im Verbundnetz stets möglichst schnell wiederherstellt, d. h., die
Sollwerte von Frequenz und Übergabeleistung werden unverzüglich angesteuert. Demgegenüber
wird es im allgemeinen zulässig oder zweckmäßig sein, die wirtschaftlich optimale
Lastverteilung mit geringer Geschwindigkeit herbeizuführen. Mit anderen Worten,
die -wirtschaftliche Optimierung soll sich in erster Linie auf die Mittelwerte der
verschiedenen Leistungswerte beziehen, und sie soll die Frequenzbandbreite und die
übergabeleistungsschwankungen in keinem Fall in ungünstiger Weise beeinflussen.
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Es wurden auch schon andere Vorschläge für die optimale Netzregelung
gemacht, die jedoch auch nur einen Einfachnetzregler umfassen und die unerwünschte
Kopplung von Regeldynamik und wirtschaftlicher Lastverteilung nicht beseitigen.
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Bei Verwendung eines Mehrfachnetzkennlinienreglers nach dem Hauptpatent
und eines energiewirtschaftlichen Optimierungsgerätes ist erfindungsgemäß der Eingang
des den Signalwert ?. bildenden integralen Gliedes, das dem Optimierungsgerät vorgeschaltet
ist, an einen eigenen Stellgrößenausgang eines zusätzlichen Netzreglerkanals des
Mehrfachnetzreglers angeschlossen, und die Ausgänge des Optimierungsgerätes sind
über proportionalwirkende
Glieder mit Summiergliedern verbunden,
die jeweils in einem zu einem Kraftwerk führenden Einzelstell kanal angeordnet sind.
Auf diese Weise wird die Verkoppelung von Regeldynamik und Wirtschaftlichkeit des
Betriebes vermieden, und es wird dine unabhängige Anpassung an die regeldynamischen
Anforderungen einerseits und an die energiewirtschaftlichen Anforderungen andererseits,
ermöglicht. Es wird erreicht, daß die Stellsignale für die schnell veränderlichen
und die für die langsam veränderlichen Kraftwerke sowie die Veränderungen des A-Wertes
völlig unabhängig voneinander nach den jeweils günstigsten Gesichtspunkten eingestellt
werden können. Beispielwseise kann man für die optimale Lastverteilung einen eigenen
P-Anteil und einen eigenen T-Anteil einstellen, ohne an die entsprechenden Einstellungen
für die eigentlichen Regelsignale gebunden zu sein, die nach regeldynamischen Gesichtspunkten
gewählt werden. Die proportionalwirkenden Glieder zwischen den Ausgängen des Optimierungsgerätes
und den Summiergliedern schließen -eine ungünstige Phasennacheilung der Beeinflussungssignale,
z. B. bei periodischen Änderungen, aus.
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Falls erwünscht, kann das energiewirtschaftliche Optimierungsgerät
auch zeitweise vom Netzregler abgeschaltet und seine Funktion durch den Handeingriff
des Lastverteilerpersonals wahrgenommen werden, wie dies bei der klassischen Betriebsweise
der Fall ist. In solchen Zeiten, z. B. bei Nacht, kann das Optimierungsgerät so
dann zur Vorausberechnung von zukünftigen Lastverteilungen dienen. Die Abtrennung
des Optimierungsgerätes kann in Notfällen, in denen die Aufrechterhaltung des Betriebes
ohne Rücksicht auf die Wirtschaftlichkeit gefordert wird, auch automatisch erfolgen,
z. B. mit Hilfe von Relais in Abhängigkeit der Frequenzabweichung vom Sollwert oder
in Abhängigkeit des Frequenzdifferentialquotienten.
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An Hand der in der Zeichnung schematisch. dargestellten Ausführungsbeispiele
ist nachfolgend .die Erfindung näher .erläutert. Auf bekannte Einzelheiten wird
dabei nicht weiter eingegangen. In den Figuren sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen
gewählt. Es zeigt F i g.1 eine Primzipschaltung des Mehrfachnetzkennlinienreglers
mit :energiewirtschaftlichem mierungsgerät, F i g. 2 a ein ,proportional wirkendes
Zwischenglied zwischen Ausgang -des Optimierungsgerätes und Summierglied, F i g.
2b. eine :abgewandelte Ausführung eines proportionalwirkenden Zwischengliedes, F
i g. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mehrfachnetzkennlinienreglers mit
Optimierungssinrichtung.
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Wie in F i g. 3 .des Hauptpatentes werden in dem Summierglied 7 .aus
einem der Frequenzabweichung proportionalem d f und aus :einem ,der Abweichung
.der übergabeleistung vom Leistungssollwert proportionalen Signal K2 -.dP ein Gesamtabweichungssignal
K1 - d f -I-- K2 -,4P gebildet. In F i g. 3 ist zusätzlich die bereits bekannte
Aufschaltung des Frequenz Differentialquotienten :eingeacichnet. Das Gesamtabweichungssignal
wird einem analogen Mehrfadhnetzregler 10 :zugeführt, -an -dem mehrere getrennte
Stellgrößenausgänge mit unabhängig voneinander einstellbaren :Stellgrößenfxnktionen
für die Regelkraftwerke vorhanden sind. Dargestellt ist ein Mehrfachnetzregler rafft
den zwei Einzelkanälen NR I, NR II, denen die StelIgrößenausgänge 8, 9 zugeordnet
sind. Die Ausgänge 8 und 9 führen zu den beiden Regelkraftwerken G und H.
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Bei dem in der F i g.-1 dargestellten Ausführungs-Beispiel ist gemäß
der Erfindung das energiewirtschaftliche Optimierungsgerät 12,. das die Kraftwerke
auf gleichen Zuwachskostenwert A einstellt, mit seinem den Wert A. bildenden integralen
Eingangsglied M an den Stellgrößenausgang 11 des zusätzlichen Netzreglerkanals NRo
des Mehrfachnetzreglers 10 angeschlossen. Der Wert A, der als Eingangssignal
des Optimierungsgerätes dient, kann beispielsweise als Gleichstrom oder -spannung
von einem Potentiometer abgegriffen werden, dessen Schleifkontakt- mit einem Motor
verstellt wird, dessen Drehzahl dem am Netzreglerausgang 11 erscheinenden Signal
proportional ist. Wird das Netzreglerausgangssignal gleich Null, dann kommt der
genannte Motor zum Stillstand; kehrt das Netzreglerausgangssignal sein Vorzeichen
um, dann wechselt der Motor seine Drehrichtung.
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Die Ausgänge 13 und 14 des Optimierungsgerätes, welche die Lieferungsanteile
der einzelnen Kraftwerke angeben, sind über proportionalwirkende Glieder 15; 16
mit Summiergliedem 17 und 18 verbunden, die jeweils in einem zu einem Kraftwerk
G bzw. H führenden Einzelstellkanal 21 bzw. 22 angeordnet sind. Die zwischen
dem Optimierungsgerät 12 und den Summiergliedem 17,18 angeordneten Proportionalglieder
sind so ausgeführt, daß sie bei Abschalten. des .Optimierungsgerätes die Aufrechterhaltung
der Grundleistungssignale G1 und G2 gewährleisten.
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Als proportionaFwirkende Glieder 15, 16 können wahlweise die in den
F i g. 2 a und 2b dargestellten Einrichtungen Anwendung finden. In F i g. 2 a wird
das Ausgangssignal des Optimierungsgerätes (12) über .einen Umschalter S, direkt
über das Summierglied 17 in den Stehkanal 21 für das Kraftwerk G eingeführt. Damit
das Signal G1 bei Öffnung des Schalters S1 für die Außerbetriebnahme des Optimierungsgerätes
erhalten bleibt, wird zuvor das Potentiometer 51 mit Hilfe eines nicht dargestellten
Abgleichmeß'instrumentes von Hand auf den an der Klemme 13 .erscheinenden Spannungs-
oder Stromwert eingestellt, der -mit dem G,- Wert identisch ist, und gleichzeitig
mit S1 wird der Umschalter S2 be-tätigt.
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In Fi:g.2b ist als proportionalwirkendes Glied dagegen ein mit einem
elektrischen Stellmotor 52 betätigtes Potentiometer 53 vorgesehen, wobei der Stellmotor
von einem Verstärker 55 gespeist wird. Die Anordnung .enthält ferner ein ebenfalls
vom Motor 52. 'betätigtes Hilfspotentiometer 54, von dem die Rückführung 56 an .den
Vergleichspunkt 57 am Eingang des Verstärkers abgeleitet ist. Die Gesamtanordnung
ist eine Folgeschaltung, d. h., der Grundleistungswert G2 wird stets dem an der
Ausgangsklemme 13 oder 14 des Optimierungsgerätes erscheinenden Wert .nachgeführt.
Werden die beiden Schalter S3 .und a4 .gleichzeitig geöffnet, um das Optimierungsgerät
abzuschalten, dann bleibt der zuletzt eingestellte Wert G#, erhalten. Bei der Anordnung
ist ferner .die nicht dargestellte Möglichkeit vorhanden, die Potentiometer auch
von Hand verstellen zu können, wenn das .Optimierungsgerät 12 abgeschaltet ist.
Die
Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Die von den Kraftwerken
G bzw. H erzeugte Leistung entspricht den in den Summiergliedern 17 bzw. 18 gebildeten
Summensignalen, deren eine Komponente (Grundleistung) vom Optimierungsgerät 12 und
deren andere Komponente (überlagerter Regelbefehl) vom Netzregler vorgeschrieben
wird. Die Netzregler-ausgangsignale können positiv, Null oder negativ sein, und
zwar sind ihre Vorzeichen immer gleich, d. h., sie werden auch gleichzeitig Null.
In einem Zustand, bei dem das Netzreglereingangssignal gleich Null ist (z. B. Gleichgewichtszustand
` des Netzes), müssen jedoch. .die Netzregierausgangssignale nicht unbedingt ebenfalls
gleich Null sein; sie können vielmehr beliebige Werte annehmen, je nach dem bis
zum Betrachtungszeitpunkt aufgelaufenen Integralwert. Sind die Netzreglerausgangssignale
jedoch im stationären Zustand einmal Null, so entspricht die vom Optimierungsgerät
12 verlangte Summengrundleistung Gges = G, -I- G2 gerade der tatsächlichen Netzlast,
denn es herrgeht Gleichgewicht, und der Netzregler maß hierfür an den Sümmierungspunkten
17 und 18 keine positiven oder negativen- Korrekturzusatzsignale geben. Dabei ist.
gleichzeitig die optimale Verteilung des Gesamtbelastungswertes auf die Lieferungsanteile
der einzelnen Kraftwerke erreicht, und es ist ein bestimmter A-Wert eingestellt.
Dieser ist konstant, weil das Signal 11
ebenfalls Null ist.
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Tritt im (eigenen) Netz eine Lastzunahme ein, so erscheinen an den
Netzreglerausgangea positive Signale, d. h., von den Kraftwerken wird mehr Leistung
verlangt. Sobald die erhöhte Leistung vorhanden ist, verschwinden die Abweichungen
d f und d P und die Netzreglerausgangssignale nehmen - wenn vorläufig das Optimierungsgerät
-ausgeschaltet ist - bestimmte konstante Werte an, die zusammen mit den fest eingestellten
Grundleistungswerten das Gleichgewicht zwischen Erzeugung :und Verbrauch -ewährleisten.
Dieser Zustand bleibt unter der genannten Voraussetzung .bis zur nächsten Laständerung
erhalten.
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Wird jedoch in dem besagten Zustand das Optimierungsgerät 12 eingeschaltet,
so veranlaßt :der am Ausgang 11 anstehende Wert eine Veränderung des A-Wertes im
Sinne einer größeren Summengrundleistung Gges = G1 -I- G2. Dieser Einfluß bedeutet
eine Gleichgewichtsstörung im Netz, derart, daß die zuvor von Null verschiedenen
Netzreglerausgangssignale zu Null werden. Nähern sie sich dem Wert Null, so kommt
der Motor des A-Potentiometers zum Stillstand, und A bleibt bis zur nächsten Störung
konstant. Der Eingriff des Optimierungsgerätes bewirkt somit eine »Entlastung« des
Netzreglers; indem die Grundleistungen bei gleichzeitiger optimaler Verteilhing
so geändert werden,.da-ß-dieNetzreglerausgangssignale verschwinden.
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Zwischen den Netzreglerausgang 11 und den Eingang des Gliedes M kann
zusätzlich ein nichtlineares Glied N bekannter Art, z. B. mit Diodenketten, geschaltet
werden, das bewirkt, daß z. B. bei kleinen Netzreglerausgangssigna-len eine schwache
und bei großen NetzreglerausgangssignaIen eine überproportional starke Beeinflussung
der A-Verstellung erfolgt. Auch kann an Stelle des einfachen integralen .Gliedes
M ein Glied bekannter Art mit Pf-Verhalten verwendet werden. Dabei ist=es möglich,
dieses Pf-Glied mit zwei getrennten Kanälen für- die P- und- die J-Wirkung aufzubauen,
so daß das genannte nichtlineare Glied auch nur im P- oder im T-Zweig allein vorgeschaltet
werden kann. Schließlich können dem Eingang des den Wert A bildenden Gliedes (M)
am Eingang des Optimierungsgerätes periodisch betätigte Einrichtungen, z. B. Taster,
vorgeschaltet werden,-so daß- der Signalwert lediglich in gewissen. Zeitabständen
in Abhängigkeit vom Signal des Stellgrößenausganges I:1 bzvv. eines ihm nachgeschalteten
nichtlinearen Gliedes N verstellt wird.
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Zur automatischen Berücksichtigung der Änderungen der Netzkonfiguration
kann -an das Optimierungsgerät 2-2 eine Befehlsleitung 29 herangeführt werden, über
die entsprechende Signale k gegeben werden, Ebenso kann man Änderungen des Maschinensatzes
der Kraftwerke durch Befehlssignale m,. die über die Leitung» gegeben werden, berücksichtigen.
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In der Praxis maß nicht nur auf die Wirtschaftlichkeit, des Betriebes;
sondern auch: auf einen günstigen Ablauf der Ausgleichsvorgänge von Frequenz und
Übergabeleistung nach einer Laständerung geachtet werden. Deshalb maß man an dem
in F i g. 1 dargestellten Mehrfachnetzkennlinienregler - 'äne auch an den bisher
üblichen einfachen NetzkQnniinienreglern - wenigstens beiden größeren Ände_ rangen
der Netz- bzw. Betriebsverhältnisse die Ein. stellung der Parameter anpassen. Beispielsuvzise
maß bei Veränderung der Netzkennlinie #>etzleistungszahl) die Einstellung der Proportionalitätskoeffizienten
Ki und K2 geändert werden. .Oder es müssen die Verstärkung V "und die Nachstellzeit
T" des eigentlichen Pf-Netzregler.- bzw. ,der Einzelkanäle des Mehrfachnetzregiers
sowie gegebenenfalls das Maß I, der Aufschaltung des Differentialquotienten der
Fre= quenz (df/dt) und gegebenenfalls die im Hauptpatent angegebenen, in F i g.
1 nicht dargestellten, Anteileinstellangen an den Netzregterausgängen für die ver
= schiedenen Kegelkraftwerke neu eingestellt werden. Diese Einstellungsänderungen
müssen bei dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel von Hand vorgenom@-men werden.
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Im Zuge der weiteren Automatisierung des Verbundbetriebes und der
Verbesserung der Regelergebnisse ist es wünschenswert, solche Einstellungsenderangen
automatisch durchzuführen. So ist bereits"eine Schaltung bekannt, welche die automatische
Anpassung der Kennlinieneinstefung an die tatsächliche Netzkennlnie zum Ziel hat.
Diese Maßnahme stellt jedoch nur einen kleinen Beitrag zur Lösung der.Ge= samtaufgabe
dar; wobei. auch das .dynamische Netzverhalten nicht ausreichend berücksichtigt
wird. Durch eine laufende regeldynamische Optimierung werden .die mittleren quadratischen
Abweichungen der Netzfrequenz und der übergabeleistung von .den Sollwerten so klein
wie nur möglich gehalten.
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Inzwischen wurde die Theorie der regellosen Vorgänge, um die es sich
im laufenden Netzbetrieb handelt, weiter vorangetrieben, und :es wurden auch entsprechende-Geräte
.entwickelt, besonders auf .digitaler Basis, die im laufenden Betrieb eines Prozesses
eine Messung der Prozeßkenngrößen .sowie deren Veränderungen erlauben. Die :dynamischen
Eigenschaften eines Systems kommen nämlich in -den Korrelationsfunktiänen .seiner
:Betriebsgrößen zum Ausdruck, d. h., im Fall des Netzbetriebes in den. Korrelationsfunktionen
der Schwankungen der Frequenzabweichung d f -und .der übergabeleistungsabweichung
d P.
Verfahren und Einrichtungen, die es ermöglichen, die dynamischen
Kennwerte eines allgemeinen Systems durch laufende Messung seiner Betriebsgrößen
zu bestimmen, sind im Prinzip beispeilsweise in Transact. ASME, 1958, S. 1839 bis
1848 und in der Zeitschrift Regelungstechnik, H. 9/1961, S.357 bis 362, beschrieben.
Die Einrichtung zur Bestimmung der Systemkenngrößen aus den laufenden Betriebswerten
werden als Korrelatoren bezeichnet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein zusätzliches regeldynamisches
Optimierungsgerät 31 vorgesehen, das nach dem Korrelationsprinzip arbeitet und laufend
die Parameter der Regelstrecke »Netze bestimmt, wie dies in F i g. 3 beispielsweise
dargestellt ist.
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Dem regeldynamischen Optimierungsgerät 31 nach F i g. 3 werden als
Eingangsgrößen laufend die Signale d f und d P zugeführt. Der im Optimierungsgerät
enthaltene Korrelator ermittelt daraus laufend die das Netzverhalten kennzeichnenden
Parameter, welche die Basis für die Einstellung der Netzreglerparameter bilden.
Das Optimierungsgerät 31 schließt auch eine nicht näher beschriebene Rechenanlage
mit Hilfseinrichtungen ein, die aus den Kennweiten, der Regelstrecke »Netz« die
optimalen Einstellparameter El bis En des Netzreglers (einschließlich der
Netzkennlinieneinstellung) ermittelt und diese als proportionale Hilfsspannungen
an ihren Ausgangsklemmen 61 bis 71 erscheinen läßt. In F i g. 3 sind von den Ausgangsklemmen
des Optimierungsgerätes 31 Wirkungslinien zu den als Kreisen gezeichneten Einstellknöpfen
am Netzregler 10 und an den abgehenden Einzelstellkanälen eingezeichnet. Die Wirkungslinien
führen zu den Einstellgliedern für die Koeffizienten K1 und K2 für die Kennlinieneinstellung,
zu K3 für den Frequenz-Differentialquotienten, ferner zu den Einstellgliedern für
die Verstärkungsfaktoren V und die Nachstellzeiten Tn für die einzelnen Netzreglerkanäle,
ferner zu den Anteileinstellgliedern 41 und 42, wie sie in F i g. 1 des Hauptpatentes
enthalten sind. Die Wirkungslinien versinnbildlichen elektromotorische Folgestelleinrichtungen
bekannter Art, ähnlich der in F i g. 2 b dargestellten Anordnung 52 bis 57, derart,
daß die Einstellungen der beeinflußten Parameter laufend den an den Ausgangsklemmen
des Optimierungsgerätes 31 erscheinenden Führungswerten folgen. Die Einstellorgane
am Netzregler sind so ausgebildet, daß sie wahlweise durch die genannten elektrischen
Verstellmotoren oder bei Außerbetriebnahme der Optimierungsgeräte 31 auch von Hand
betätigt werden können. Zwischen das Optimierungsgerät 31 und die Einstellorgane
am Netzregler können auch Geräte, z. B. periodische Taster, geschaltet werden, welche
bewirken, daß die Korrektur der Parametereinstellungen nicht laufend, sondern nur
in gewissen Zeitabständen erfolgt: