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Vorzugsweise liegt der Anstieg des anfänglichen Nullpotentials bei
etwa 10 bis 30 elektrischen Graden vor
dem Zeitpunkt, zu dem das
resultierende Elektrodenpotential unter die effektive Behandlungsspannung absinkt.
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Dabei ist der Spitzenwert der unveränderten Sinuswelle etwa 1,5-
bis etwa 2,5fach größer als der zur Erzeugung der wirksamen Behandlungsspannung
notwendige ist.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen an Ausführungsbeispielen
näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Block-Schaltbild einer bevorzugten
Form einer Anordnung zur Durchführung der Erfindung, F i g. 2 ein elektrisches Schaltbild
einer bevorzugten Form der Steuerschaltung, F i g. 3 eine Darstellung von Wellenformen,
die den Betrieb der Schaltung gemäß F i g. 2 veranschaulichen, und Fig. 4 ist ein
Diagramm, das den Betrieb einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
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Die Fig. 1 zeigt ein elektrisches Behandlungsgerät 10, das von einer
Wechselstromquelle über Leitungsklemmen 11, 12 und einen Ein-Aus-Schalter 13, eine
Schaltereinheit 14 und einen Transformator 15 versorgt wird. Das Behandlungsgerät
hat einen aufrechten zylindrischen Behälter 20, der an beiden Enden geschlossen
ist. Eine Loch-Elektrode 21 ist über den Leiter 22 und eine Einlaßbuchse 23 mit
der Sekundärwicklung des Transformators 15 verbunden.
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Eine weitere durchlöcherte Elektrode 24 ist über der Elektrode 21
angeordnet und elektrisch mit dem Behälter 20 verbunden, welcher seinerseits an
Erde liegt. Das zu behandelnde Medium tritt über die Einlaßleitung 26 durch eine
Düse 27 in den Behälter 20 ein, die nach oben gegen eine Prallplatte 28 gerichtet
ist. Das behandelte Medium verläßt den Behälter durch eine Leitung 29, und Wasser
oder ein anderes durch das elektrische Feld aus dem fließfähigen Medium abgetrenntes
Material fließt durch eine Leitung 30 ab.
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Die Schaltereinheit 14 wird von einer Triggergeneratoreinheit 32
gesteuert, welche wiederum von einer Verzögerungsschaltung 33 und einer Impulsschaltung
34 gesteuert wird. Ein Strornübertrager 35 liegt in einem der Leiter zwischen den
Leitungsklemmen 11 und 12 und der Last, die aus dem Transformator 15 und dem Behandlungsgerät
10 besteht, um ein Eingangssignal an die Verzögerungsschaltung 33 zu liefern, welches
sich als Funktion des Laststromes verändert.
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Die Schaltereinheit verbindet und trennt die Wechselstromleitung
mit bzw. von der Transformator-Primärwicklung. Die Leitung ist offen, und die Einheit
führt keinen Strom, bis das triggernde, zündende Torschaltungssignal an die Einheit
angelegt wird, welche zu diesem Zeitpunkt leitend wird, und die Wechselstromleitung
mit sehr niedrigen Verlusten an die Übertrager-Primärwicklung anlegt. Zu einem späteren
Zeitpunkt wird die Schaltereinheit wiederum nichtleitend, z. B. durch Polaritätsumkehr,
sobald die Ausgangswelle der Quelle durch Null geht. Auf diese Weise kann der Anfangsabschnitt
einer Halbperiode der Ausgangswellenform der Quelle von der Transformator-Primärwicklung
ferngehalten werden und dadurch zu Null gemacht werden, indem die Erzeugung und/oder
Zuführung einer Zündspannung an die Schaltereinheit verzögert wird.
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Der Triggergenerator 32, die Verzögerungsschaltung 33 und die Impulsschaltung
34 bilden eine
Steuerschaltung zur Betätigung der Schaltereinheit, um die Quelle
mit der Last zu verbinden. Dies ist ein Wechselstromsystem, und die Schalter in
der Schaltereinheit 14 sind gesteuerte Leitfähigkeitselemente, die die Verbindung
öffnen oder nichtleitend werden zur Zeit des Nulldurchganges jeder Hauptperiode
der Quelle. Typischerweise kann dies erzielt werden durch Verwendung polarisierter
Gleichrichter, wie der jetzt weit verbreiteten gesteuerten Siliziumgleichrichter.
Der Triggergenerator 32 liefert einen Triggerimpuls zum Schließen eines Schalters
oder zur Einleitung der Stromführung in einem Gleichrichter zu einem bestimmten
Zeitpunkt, der auf einen Nulldurchgang folgt. Die Verzögerungsschaltung 33 steuert
den Triggerzeitpunkt. Der Triggerzeitpunkt oder die Verzögerung des Triggers nach
dem Nulldurchgang kann von Hand verändert werden, um verschiedene Stromführungszeiten
zu ermöglichen, wie sie für eine bestimmte Last gewünscht werden. Die Triggerverzögerung
kann auch automatisch als Funktion des Laststromes verändert werden unter Benutzung
des Laststromsignals vom Transformator 35. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung
so eingestellt werden, daß sie ohne Verzögerung oder mit einer besimmten Verzögerung
arbeitet, bis der Laststrom einen bestimmten Wert überschreitet, woraufhin die Verzögerung
vergrößert wird, um den Strom auf oder unter dieser Grenze zu halten. Mit dieser
Anordnung kann die Verzögerung bis zu vollen 1800 vergrößert werden, wodurch die
Leistungszuführung zur Last vollständig abgeschnitten wird.
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Eine bevorzugte Schaltung der Einheiten der F i g. 1 ist in F i g.
2 dargestellt. Der Schalter 14 enthält gesteuerte Siliziumgleichrichter40, 41 in
einer Zweiweg-Antiparallelschaltung, wobei die Steuerelemente vom Ausgangstransformator42
des Triggergenerators 32 erregt werden.
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Das System enthält eine Stromversorgung43, die von einer Wechselstromquelle
gespeist wird. Der Eingangsschalter 44 verbindet wahlweise verschiedene Spannungsteilerwiderstände
in Reihe mit der Stromversorgung, so daß ein Betrieb der Schaltung an Quellen mit
115, 230 und 460 Volt möglich ist. Die Stromversorgung enthält vier als Zweiweggleichrichter
geschaltete Dioden, wobei Zenerdioden als Spannungsregler für einen - 7-Volt-Ausgang
auf Leitung 45, einen +20-Volt-Ausgang auf Leitung 46 und einen +27-Volt-Ausgang
auf Leitung 47 verbunden sind. Die Widerstände 48, 49 liegen zwischen der einen
Seite der Leitung und der Schaltungserde und sind so ausgewählt, daß sie die Wechselhalbwelleniast
ausgleichen und die Gleichspannungsausgänge glätten.
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Die Stromversorgung liefert auch ein Zeitsignal auf der Leitung 50
mit der Wellenform V2 mit einem negativen Spannungimpuls bei jedem Nulldurchgang
der Wechsel stromquelle. Ein weiteres Zeitsignal wird auf Leitung 51 mit der Wellenform
V3 geliefert, welche ihren Pegel bei jedem Nulldurchgang ändert.
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Der Triggergenerator 32 liefert die zeitlich richtig abgestimmten
Triggerimpulse zum Einschalten der SCR 40, 41. Eine Kapazität 55 wird auf Null bei
jedem Nulldurchgang der Wechselstiomleitung zurückgesetzt. Der negative Impuls von
V2 auf Leitung 50 macht den Transistor Q4 leitend und bringt dadurch die Ladung
auf der Kapazität 55 auf Null über die Sperrdiode 56. Eine Vorspannung für den Transistor
Q4 wird über der Reihendiodenkette 54 entwickelt. Die Kapazität 55 wird durch Strom
von
der Verzögerungsschaltung 33 auf der Leitung 57 geladen. Die
Verzögerungsschaltung 33 liefert einen Ladestrom konstanter Größe, der, wie unten
beschieben, verändert werden kann. Wenn die Spannung der Kapazität 55 einen bestimmten
Wert erreicht, wird der Transistor Q5 leitend und erzeugt den Triggerimpuis. Wenn
die Aufladungsgeschwindigkeit der Kapazität niedrig genug ist, damit der Transistor
Q 5 nicht in einer Halbperiode leitend wird, dann wird die Kapazität am Ende der
Halbperiode durch den Transistor Q4 entladen, und es gibt keinen Triggerinipuis.
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Der Betrieb der Schaltung für eine schnelle Aufladegeschwindigkeit,
eine mittlere sowie eine langsame Aufladegeschwindigkeit wird in F i g. 3 dargestellt,
wo V die Spannung an der Kapazität 55 ist und die durchgezogenen Kurven100 von 174
die Spannungswellenformen an der Lastseite der Gleichrichterschalter der Schaltereinheit
14 sind. Die gestrichelten Kurven 101 zeigen das 1000/oige Leiten oder die Nullverzögerungs-Spannungswelle
von der Wechselstromquelle. Im linken Abschnitt der Fig. 3 ist die Aufladegeschwindigkeit
hoch, und ein Gleichrichter wird nach etwa 600 Verzögerung leitend. Im Mittelabschnitt
der Fig. 3 ist die Aufladegeschwindigkeit kleiner, und der Gleichrichter wird nach
etwa 1200 Verzögerung leitend. Im rechten Abschnitt der F i g. 3 ist die Aufladegeschwindiglceit
niedrig, so daß der Gleichrichter niemals leitet. Praktisch eine Nullverzögerung
kann erreicht werden durch Verwendung einer höheren Aufladegeschwindigkeit. Die
gestrichelten Kurven 103 zeigen eine kontinuierliche Wechselspannung, wie sie von
einem durch eine Drosselspule oder eine Reaktanz begrenzten System geliefert wird,
welches die gleiche Leistung an den Behandlungsapparat liefert, wie die in der Stromführung
begrenzte und durch die durchgezogenen Kurven dargestellte Welle. Die gestrichelte
Linie kennzeichnet die Zündspannung für den Transistor 5. Es ist leicht zu sehen,
daß das begrenzte Leiten oder die Verzögerung eine wesentlich größere Behandlungsspannung
liefert als das herkömmliche System bei den gleichen Leistungsanforderungen. Mit
dem System der Erfindung kann man auch eine größere Spitzenspannung beim gleichen
VA-Bedarf erzielen, oder man kann die gleiche Spitzenspannung bei geringerem Leistungs-und/oder
VA-Bedarf erreichen. Bei dieser Betriebsart kann die an eine Last gelieferte Effektivspannung
von Null praktisch zum vollen Leitungswert verändert werden. Gleichzeitig wird die
maximal erhältliche Spannung verwendet, wenn der Schalter leitet.
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Ein Transistor 0 6 liegt parallel zur Kapazität 55 über einer Sperrdiode
90. Ein Signal von der Impulsschaltung 34 auf der Leitung 58 liegt über einem Widerstandspaar,
welches als Spannungsteiler arbeitet, wobei der Verbindungspunkt dieses Widerstandspaares
an der Basis des Transistors 0 6 liegt.
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Der sich bewegende Arm eines Dreistellungs-Schalterms 59 liegt ebenfalls
an der Basis des Transistors 06. Wenn der Schalter 59 ausgeschaltet ist, ist der
Transistor 0 6 leitend und leitet den gesamten Aufladestrom um die Kapazität herum.
Wenn der Schalter 59 eingeschaltet ist, liegt die Basis des Transistors Q 6 an +20
V, wodurch der Transistor Q 6 sicher gesperrt wird. Wenn sich der Schalterarm in
der Impulsstellung befindet, dann wird die Stromführung des Transistors Q 6 durch
das Signal von der Impulsschaltung auf Leitung 58 gesteuert. Wenn das Impuls-
schaltungssignal
positiv wird, dann ist der Transistor Q 6 gesperrt und der Betrieb des Triggergenerators
wird durch die Ladestromgeschwindigkeit von der Verzögerungsschaltung 33 gesteuert.
Wenn das Signal von der Impuls schaltung auf Leitung 58 negativ wird, dann leitet
der Transistor Q 6 und führt den Ladestrom um die Kapazität 55 herum und sperrt
das Triggern der gesteuerten Gleichrichter.
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Die Impulsschaltung 34 enthält ein bistabiles Flipflop 65 mit den
Transistoren Q 7, Q 8. Das Flipflop wird vom Transistor Q 9 angetreten, welcher
teilweise vom Transistor Q 10 gesteuert wird. Der Transistor Q 10 wird vom Zeitsignal
173 auf den Leitungen 51 gesteuert und leitet in jeder Halbperiode, wenn das Signal
173 auf Null absinkt. Der Transistor 0 9 leitet wenn die Spannung über der Kapazität
66 ein solches Potential erreicht, welches bei Unterstützung durch den Abfall über
dem Widerstand 67 bei leitendem Transistor 010 das die Stromführung auslösende Potential
des Transistors 0 9 übersteigt. Der Abfall über dem Widerstand 67 bei leitendem
Transistor Q 9 wird auf die Flipflop-Transistoren gekoppelt und bewirkt deren Umschalten.
Der Transistor Q 9 leitet nicht immer dann, wenn der Transistor Q 10 leitet, sondern
nur dann, wenn der Transistor Q 10 so leitet, daß das Schalten nur jeweils zum Nulldurchgang
jeder weiteren Halbperiode stattfindet. Mit dieser Anordnung wird die Leistung in
dem gesamten System abgeschaltet nach einer Anzahl von Perioden, in denen ein Stromfluß
stattfand, an einem bestimmten Nullpunkt in der Periode, wodurch der Leistungstransformator
praktisch unvorbelastet oder in einem neutralen Zustand sowie in einem Zustand praktisch
ohne jeden Fluß gelassen wird. Dadurch kann die Leistung zu einem späteren Zeitpunkt
ohne nachteilige Beeinflussung des Transformators eingeschaltet werden. Würde z.
B. die Leistung abgeschaltet und der Transformatorkern stark in einen positiven
Zustand vorgespannt bleiben und die Leistung während eines positiven Abschnittes
der Periode eingeschaltet werden, dann könnte der Kern über die Sättigung hinaus
getrieben werden, was übermäßigen und zerstörenden Ladestrom zur Folge hätte.
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Die Kapazität 66 lädt sich über den Widerstand 68 oder den Widerstand
69 auf, je nachdem welcher der TransistorenQ8, Q 7 leitet. Der Transistor 0 6 des
Triggergenerators leitet, wenn der Transistor Q7 des Flipflops 65 Strom führt. Demnach
können die Einschalt- und Ausschaltzeiten verändert werden durch Veränderung der
Einstellungen der Widerstände 68, 69. Die Einschaltzeit kennzeichnet die Anzahl
von Perioden der Wechselstromquelle, die während eines gepulsten Betriebes oder
eines Stoßbetriebes an die Last geliefert werden, die Ausschaltzeit kennzeichnet
die Anzahl der Perioden der Wechselstromquelle zwischen sogenannten Stößen.
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In einem typischen Betrieb kann die Einschaltzeit in der Größenordnung
weniger Perioden bis zu wenigen Sekunden liegen, und die Ausschaltzeit liegt in
der Größenordnung weniger Perioden bis weniger Sekunden. Die Wahl der Einschalt-
und Ausschaltzeiten hängt von den Kennzeichen des behandelten fließfähigen Mediums
ab, wie der Leitfähigkeit, Viskosität, dem Wassergehalt, der Temperatur und der
Stabilität.
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Die Verzögerungsschaltung 33 liefert den Aufladestrom für die Kapazität
55 des Triggergenerators über die Leitung 57 und den Transistor Q 2. Der veränderliche
Widerstand
76 liefert eine Handeinstellung des maximalen Stromführungswinkels oder der minimalen
Verzögerungszeit, indem er eine obere Grenze für den Ladestrom festlegt. Der von
Hand einstellbare Widerstand 75 liefert eine Einstellung der Verzögerungszeit durch
Einstellung der normalen Aufladestromgeschwindigkeit. Die Transistoren Q 1 und Q3
verringern die Größe des Ladestromes oder die Aufladegeschwindigkeit durch Vorbeiführung
eines Teiles des Aufladestromes an der Kapazität 55. Der Transistor Q 1 leitet nur
während der negativen Halbwelle der Wechselstromquelle auf Grund des Vorspannungshubes
am Transistor QIZ von der einen Seite der Leitung über den Leiter 77. Der veränderliche
Widerstand 78 ermöglicht die Einstellung der Korrekturgröße für das Ungleichgewicht,
welches festgestellt wird in den abwechselnden Halbperioden-Ladeströmen durch die
Kapazitäten 79, 80. Wenn die abwechselnden Halbperioden-Ladeströme gleich sind,
dann liegt der Kollektor des Transistors Q12 an der Verbindung der Widerstände 81,
82 auf Null, und es wird keine Korrektur vom Transistor Q1 im Ladestrom während
einer Halbperiode vorgenommen.
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Wenn die abwechselnden Halbperioden-Ladeströme nicht gleich sind,
dann entsteht eine Spannung am Transistor Q 12, und der Strom im Transistor Q 1
ändert sich, wodurch die Einschaltzeit in der negativen Halbwelle verändert wird,
d. h., die Zeit t in den V4-Kurven der Fig. 3 wird leicht in bezug auf die Zeit
t1 verändert.
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Die Verzögerungsschaltung 33 enthält auch Mittel zur Verringerung
des Aufladestromes, d. h. zur Vergrößerung der Verzögerung als Funktion eines externen
Signals, hier eines Laststromsignals, welches vom Stromübertrager 35 geliefert wird.
Das Laststromsignal verändert sich als Funktion des Laststromes und wird über den
Widerständen 85, 86 entwickelt. Der Widerstand 85 ist einstellbar, um das Verhältnis
von Laststromsignal zu Laststrom einzustellen. Die Transistoren Q 3 und Q 11 liegen
in Reihe zur Verringerung des Aufladestromes auf der Leitung 57 als Funktion des
Laststromsignals. Der veränderliche Widerstand 87 an der Basis des Transistors Q
3 bestimmt den Laststromsignalpegel, bei dem Q 3 leitend wird, und bestimmt damit
den Laststrom, bei dem die Triggerverzögerung vergrößert wird. Der zwischen den
Transistoren Q 3, Q 11 liegende veränderliche Widerstand 88 bestimmt die Sinderungsgeschwindigkeit
der Verzögerung bei einer Steigerung des Laststromsignals durch Veränderung der
Geschwindigkeit, mit der die Verzögerung sich vergrößert, wenn sich das Laststromsignal
vergrößert.
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Im normalen Gebrauch des Systems steht der Schalter 59 in der Impulsstellung,
die Widerstände 68, 69 sind so eingestellt, daß sie die gewünschte Anzahl von Einschaltperioden
und die gewünschte Anzahl von Ausschaltperioden für den Impulsbetrieb liefern, der
Widerstand 75 liefert die gewünschte Verzögerung bei der Auslösung des leitenden
Zustandes in jeder Halbperiode und die Widerstände 85, 87 und 88 sind so eingestellt,
daß sie eine Verzögerungsvergrößerung und eine Verringerung des Stromführungswinkels
bewirken, wenn eine bestimmte Laststromgröße überschritten wird. Der die minimale
Verzögerung festlegende Widerstand 76 und der Abgleichwiderstand 78 sind ebenfalls
auf die gewünschten Werte eingestellt.
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Wenn während jeder Halbperiode eine Stromfüh-
rung stattfinden soll,
dann kann der Schalter 59 il die »Ein«-Stellung bewegt werden, in der er da: Sperrsignal
von der Impulsschaltung überbrückt unc den Impuls- oder Stoßbetrieb ausschließt.
In eine: anderen möglichen Anordnung können die Wider. stände 75, 76 so eingestellt
werden, daß sie praktisch die Verzögerung Null liefern, und wenn sich de Schalter
59 in der Impulsstellung befindet, danr arbeitet das System nur in der Impulsbetriebsart.
Die Verzögerung vergrößert sich als Funktion des Laststromes oder der Überstrom-Schutzeinrichtung.
Sie kann nur verwendet werden bei Betrieb in der Impulsart oder nur in der Verzögerungsart
oder wenn in beiden Betriebsarten gearbeitet wird durch geeignete Einstellungen
der Widerstände 85, 87 und 88.
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In der einen Ausführungsform der Erfindung kann das Steuersystem
verwendet werden für einen Betrieb gemäß Fig. 3 im gesamten Arbeitsstrombereich
mit oder ohne automatischer Strombegrenzung gemäß der Erfindung. Bei dieser Arbeitsweise
wurde gefunden, daß Behandlungsergehnisse, die denen kontinuierlicher Spannungssysteme
äquivalent sind, mit wesentlich geringerem Leistungsverbrauch und/oder VA-Bedarf
erzielt werden können.
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Eine andere Betriebsart wird in F i g. 4 gezeigt. Die Lastspannungs-Laststrom-Kurve
für ein elektrisches Behandlungsgerät mit der herkömmlichen Reaktanzstrombegrenzung
wird durch die gestrichelte Kurve 154 angezeigt. Die Wellenformen 155,156,157 zeigen,
wie die Strombegrenzung durch und auf Kosten der Verringerung des Spitzenwertes
der kontinuierlich angelegten Spannungswelle erreicht wird. Da das elektrische Agglomerieren
fein verteilter Tröpfchen in einer Emulsion eine direkte Funktion der Spannung ist,
tritt eine Verminderung der Wirkung ein, wenn die angelegte Spannung zu niedrig
ist. Es wird hier auf die Wellenformdiagramme 156 und 157 verwiesen.
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Die durchgezogene Kurve 160 zeigt den Betrieb des Steuersystems gemäß
der Erfindung mit automatischer Strombegrenzung. Wie die Diagramme 161, 162 zeigen,
wird der volle Wert der Spannung kontinuierlich bis zu etwa 3/4 des Stromes angelegt.
Danach bleibt die Größe der angelegten Spannung die gleiche, doch die Wellenform
wird verändert, indem der Anfangsabschnitt Null gemacht wird, wobei die Dauer des
Anfangsabschnittes vergrößert wird, wenn sich der Laststrom dem festgelegten Wert
nähert, wie es die Diagramme 163 und 164 zeigen. Aus dem Vergleich der Kurven 154
und 160 ist zu sehen, daß das System der vorliegenden Erfindung eine elektrische
Behandlung bei beträchtlich größeren Spannungen während eines Hauptabschnittes des
Spannungsbereiches für Systeme mit gleicher Einstellung und gleichen Versorgungsspannungen
ermöglicht.
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Wenn es zweckmäßig ist, kann die Betriebsart mit abgeänderter Wellenform
im gesamten Strombereich verwendet werden, wie es durch die gestrichelte Linie 166
dargestellt ist, die in die durchgezogene Linie 160 bei etwa 90 e/0 festgelegter
Stromstellung übergeht. Für diese Betriebsart wird das Steuersystem so eingestellt,
daß es eine abgeänderte Welle mit einem Anfangsverzögerungsabschnitt mit gewähltem
Wert, wie 90 oder 1200, liefert, wie im Diagramm bei 167 gezeigt. Diese Betriebsart
kann erreicht werden durch Änderung der Einstellung des Potentiometers 76, welches
die kleinste Verzögerungsperiode bestimmt, und ohne Änderung irgendeiner anderen
Einstellung.