DE2921224A1 - Polumschaltbare drehstrommaschine mit durch pol-amplituden-modulation umschaltbarer symmetrischer staenderwicklung - Google Patents
Polumschaltbare drehstrommaschine mit durch pol-amplituden-modulation umschaltbarer symmetrischer staenderwicklungInfo
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Description
Polumschaltbar Drehstronmaschine mit durch Pol-Amplituden-Modulation
umschaltbarer symmetrischer Ständerwicklung.
Die Erfindung betrifft eine polumschaltbare Drehstrommaschine mit einer durch Pol-Amplituden-Modulation gemäß
einem phasenweisen oder Gesamt-Modulationsscherca umschaltbaren symmetrischen Ständerwicklung.
Durch Pol-Amplituden-Modulation in ihrer Polzahl umschaltbare
Drehstrommotoren und -generatoren mit Käfigwicklung sind beispielsweise aus der GB-PS 9oo 600 und weiteren
Patentschriften sowie zahlreichen Veröffentlichungen von
Prof. G.H. Rawcliffe und anderen in "Proceedings of the
Institution of Electrical Engineers", dort zuletzt im Jahrgang 1958, 1o5A auf Seite 411 ff. bekannt.
Die Theorie der Pol-Amplituden-Modulation (P.A.M.) wird
in diesen Patentschriften und technischen Veröffentlichungen mit der Annahme erläutert, daß die Verteilung der Wicklungen
über den Luftspalt und die überlagerten Modulationswellen rein sinusförmig zu sein haben und deshalb bei
praktisch ausgeführten Maschinen so nahe wie möglich sinusförmig sein sollen.
Es war herausgefunden worden, daß eine sinusförmige Modulation der Polamplitude bestimmte Oberwellen in der FeId-
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erregerkurve erzeugt , insbesondere solche überwellen, die
als "konjugierte" Oberwellen beschrieben wurden, wobei diese Oberwellen zu jenen hinzutraten, die bei herkömmlichen Ein-Drehzahl-Wicklungen
festgestellt wurden.
Ein Teil der Entwicklung für die Pol-Amplituden-Modulatlon,
wie sie in späteren Patentschriften und technischen Veröffentlichungen beschrieben worden ist, hat sich mit der
Verminderung der unerwünschten Oberwellen durch Veränderung der Modulationsfolge oder durch entsprechende Auswahl der
Spulengruppierung und der Sehnung befaßt. Jene Oberwellen wurden als unerwünscht betrachtet, insbesondere weil sie
sich in erheblichen Absenkungen, Spitzen und Einsattelungen in der Beschleunigungskurve eines Motors auswirkten oder
zumindest zu einer Gesamtverminderung des Motormoments an
aufeinanderfolgenden Punkten der Beschleunigungs,kurve führten.
Dieses Merkmal war in der Praxis recht eigentümlich für
kleine und mittlere Motoren. Wenn das Betriebsverhalten solcher Motoren unbefriedigend ist, liegt dies gewöhnlich
an einer unzureichenden Drehmomentcharakteristik.
Es war auch bekannt, daß in Pol-Amplituden-Modulationsmaschinen
andere unerwünschte Oberwellen auftreten, die als "benachbarte" Oberwellen bezeichnet werden. Diese Oberwellen
beeinträchtigen das Drehxnomentverhalten einer Maschine nicht sonderlich, sie können sich jedoch mit dem Hauptdrehfeld
der Maschine dergestalt auswirken, daß sie zu niederfrequenten Schwingungen des Maschinengestells führen.
Die Natur und Bedeutung jener Oberwellen ist erst jetzt richtig erkannt worden bei der Auslegung großer P.A.M.-Maschinen.
Solche Oberwellen treten zusätzlich zu konjugierten Oberwellen auf. Sie werden in der nachfolgenden Beschreibung "benachbarte··
Oberwellen genannt, und sie sind Oberwellen mit negativem Drehsinn, d.h. ihre Größenordnung liegt so
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nahe wie möglich bei der Größenordnung des entsprechenden
Hauptfeldes, und sie drehen in umgekehrtem "Sinne". Für gewöhnlich
sind diese benachbarten Oberwellen von einer Größe, die sich um "2" von der Größenordnung des Hauptfeldes
unterscheidet. In seltenen Fällen unterscheidet sich ihre Größenordnung um "1" von der Größenordnung des Hauptfeldes.
Die Auswirkung der benachbarten Oberwellen negativer Drehrichtung in der Erzeugung von niederfrequenten Schwingungen
des Gestells einer Maschine ist äußerst fühlbar und bei großen Motoren mit sehr vielen Polen wenig erwünscht. Obgleich
weniger fühlbar, ist die Wirkung bei kleinen Motoren auch vorhanden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, derartige benachbarte Oberwellen bei Pol-Amplituden-Modulationsmaschinen mit
Verwendung symmetrischer Polkombinationen auf ein Kleinstmaß herabzudrücken.
Lrfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Drehstrommaschine
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß zur Polumschaltung alle Spulen einer jeden Phase in entweder der
einen oder der anderen der beiden Wicklungsteile angeordnet sind, wobei diese phasenweisen Wicklungsteile alternativ in
Reihe oder parallel zueinander zur Schaffung der beiden Polzahlen schaltbar sind und der von der Spulengruppierung der
Phasenwicklung bestimmte Wellenverlauf des Modulationsschemas sich der Sinusform mit einem zusätzlichen Modulationsanteil der dritten Oberwelle annähert dergestalt, daß der
Anteil der benachbarten Oberwelle in der Felderregerkurve der Drehphasen-Wicklung für beide Polzahlen geringer ist
als für eine Modulationswelle von sinusförmiger Gestalt ohne Hinzufügung des Modulationsanteils der dritten Oberwelle.
Der Grundgedanke, auf dem die Erfindung beruht, besteht demnach darin, der bekannten und grunsätzlich sinusförmigen
Modulation der Pol-Amplitude eine Oberwellenmodulation
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zu überlagern und dadurch gezielt die benachbarten Oberwellen in der resultierenden Felderregerkurve zu vermindern.
Die Überlagerung einer Modulation mit der dritten Oberwelle hat sich als bestimmend für diesen Zweck erwiesen.
Vor der Beschreibung von charakteristischen Ausführungsbeispielen der Erfindung im einzelnen wird es das Verständnis
der Erfindung erleichtern, die Theorie zu erörtern, die diese Beispiele wiederspiegeln.
Unter Berücksichtigung zunächst jener Radialkraftwellen, die bei allen Induktionsmotoren vorhanden sind, erzeugt
das rotierende magnetische Feld in allen Induktionsmotoren eine rotierende radiale Kraftwelle, die das Bestreben hat,
das Blechpaket und das Ständergehäuse zu verbiegen. Die Kraft (pro Flächeneinheit) an einer beliebigen Stelle ist
proportional dem Quadrat der magnetischen Induktion B sin (mo - tot) , das heißt:
Bm 2 sin2 (m© -tut) oder B^2 | 1 - cos 2 (m6 - o^t) 1 (1)
i1 - cos 2 (me -6St) 7
2 J
Dies bedeutet eine rotierende Kraftwelle von doppelter Frequenz mit einer Polzahl gleich dem Doppelten der Hauptpolzahl
zusätzlich zu der stationären Radialkraft 1/2 I β J
Lm «J
worin,
m die Anzahl der Haupt-Polpaare und θ ein mechanischer Winkel
Zunächst seien die rotierenden Kraftwellen in P.A.M.-Induktionsmotoren
betrachtet unter der Voraussetzung, daß ein zweites rotierendes Magnetfeld B sin (ηθ + wt) einer
verschiedenen Polzahl überlagert ist, wobei das zweite Feld im Vergleich zu dem Hauptfeld B schwach ist, d.h. weniger
als 2o% beträgt. Die kombinierte Wirkung dieser Felder be-
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steht darin, daß zwei zusätzliche Radialkraftwellen derjenigen,
die vom Hauptfeld herrührt, entstehen. Eine dieser Kraftwellen ist stationär, und eine rotiert mit einer Geschwindigkeit,
die dem Doppelten der Netzfrequenz entspricht. Grundsätzlich treten diese zusätzlichen Kraftwellen
aufgrund von Oberwellen in allen Standard-Indukticnsniotoren auf, sind dort aber sehr klein.
Die folgenden Gleichungen verdeutlichen die Zusammenhänge: Bm sin (me -tOt) +Bn sin (ηθ +tot)
seien zwei rotierende magnetische Felder in einen Induktionsmotor,
wobei B viel größer als B sei. Kenn das alternierende Vorzeichen negativ ist, rotieren beide Felder in
gleicher Richtung. Wo es positiv ist, rotieren die Felder in entgegengesetzter Richtung. Die resultierende Gesamt-Rotationskraft
ist nun proportional zu:
Γ - I2
JB sin (m© -Wt) + B sin (ηθ + Ut)/ (2)
Wenn B um ein Vielfaches größer ist als B , wie dies immer bei einer beliebigen P.A.M.-Wicklung der Fall sein wird,
2 kann die auf der alleinigen Wirkung von B beruhende rotierende Kraftwelle vernachlässigt werden. Aus der
Differenzbildung zwischen der gesamten resultierenden rotierenden Kraftwelle nach Gleichung (2) und der Kraftwelle
nach Gleichung (1), die auf der Alleinwirkung des
Hauptfeldes E beruht und der Vernachlässigung der B beruhenden
Kraftwelle folgt, daß die besondere rotierende Kraftwelle in einem P.A.M.-Induktionsmotor proportional
ist zu:
Γ 2 2 , , B sin (m© -(J t) /
= 2Bm B I cos (m+ η) θ - cos ((m*· η) θ - 2 <o tjw
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sin (me ~tft) + Bn sin (ηθ TuJ] J
(
j)7 (3)
—■6--
Jedes remanente magnetische Feld kann gemäß dieser letzten
Gleichung grundsätzlich zwei Resultierende hervorbringen. (Nur resultierende magnetische Felder sind von Bedeutung.
Jede beliebige Oberwellendurchflutung (magnetomotorische
Kraft) wird viel größer sein als das davon erzeugte magnetische Feld,und gerade die Oberwellendurchflutungen in
einer P.A.M.-Wicklung werden im Vergleich zu der Hauptdurchflutung
klein sein.)
Der erste Ausdruck in dieser letzten Gleichung (3) stellt
eine feste Kraftwelle von (m+n) Polpaaren dar, und der zweite Ausdruck gibt eine rotierende Kraftwelle von
(m-n) Polpaaren mit einer Drehzahl entsprechend dem Zweifachen der hetzfrequenz wieder. Im Prinzip wird die feste
Kraftwelle eine ständige resultierende Verformung des Blechpakets und Ständers ergeben, jedoch keine resultierende
Schwingung. Der zweite Ausdruck stellt eine rotierende Kraftwelle dar, die Schwingungen erzeugen kann.
Das Ausmaß der Schwingungen wird von der Größe der Kraftwelle, der Stabilität des Ständers und auch der Anzahl der
Pole in der Kraftwelle abhängen. Der Ständer kann als ein fortlaufender Balken betrachtet werden, der an einer Anzahl
Stellen abgestützt ist, die jeweils den Abstand einer Polteilung haben* Die Durchbiegung eines einfach abgestützten
Balkens von gegebenem Querschnitt bei einer gegebenen Kraft ist proportional der dritten Potenz des Abstandes zwischen
den Abstützstellen, und die Schwingung ist umso geringer, je größer die Anzahl der Pole ist, und umgekehrt.
Die maximale Schwingung für eine gegebene Stärke des zweiten
magnetischen Feldes B wird mit negativem Vorzeichen für η im zweiten Ausdruck der Gleichung für die Extrawelle auftreten,
die nur (m-n) Polpaare in der rotierenden Kraftwelle liefert. Dies entspricht einer Drehung des zweiten
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=t -
Feldes E im umgekehrten Sinn zu dem magnetischen I aupt-r
feld B . Gleichzeitig wird das Vorzeichen im ersten Ausdruck
positiv sein, und die feste Kraftwelle wird (ni+n) Polpaare haben, und die resultierende feste Verformung wird
unbedeutend sein.
Lin zweites rotierendes Magnetfeld wird deshalb am wahrscheinlichsten
Schwingungen erzeugen, wenn die beiden Felder nahezu die gleiche Ordnungszahl haben und in entqegengesetzten
Richtungen rotieren. Im Prinzip können m und η um "1" differieren; sie werden jedoch bei normalen P.A.M.Wicklungen
nicht weniger als "2" voneinander abweichen, tine Durchflutungsoberwelle mit einer Ordnungszahl, die
sich nur um "1", "2" oder eine andere niedrige ganze Zahl von der Ordnungszahl der Grundwelle der Durchflutung unterscheidet,
ist hierin als "benachbarte" Oberwelle definiert worden.
Die Ordnungszahlen können um"1" für Kombinationen von
ungeraden Polpaarzahlen abweichen, wenn alle Ordnungszahlen, gerade und ungerade, der Oberwellen für beide Polzahlen
vorhanden sind. Von Bedeutung ist der Fall mit 6 Polen/1o Polen; andere Fälle sind in der Praxis selten.
Bei früheren P.A.M.-Wicklungen wurde besondere Beachtung
der Verminderung der Größe von jeglichen Durchflutungsoberwellen höherer Ordnungszahlen (vom Mehrfachen der
Kaupt-Polzahl) gewidmet, weil diese eine beträchtliche
Auswirkung auf die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien haben würden.
Die einer P.A.M.-Wicklung durch die Vor-Modulation der
Wicklung überlagerten Haupt-Oberwellen mit niedriger Ordnungszahl haben die Ordnungszahlen (P1 - 2), (P1 - 4) usw.,
wobei P1 die ursprüngliche Polpaarzahl ist. Die Größe
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dieser Oberwellen nimmt sehr schnell mit zunehmender Ordnungszahl ab. Die größte benachbarte Oberwelle vor der Modulation
hat deshalb die Ordnungszahl (p.. - 2) und ist gänzlich oder
vorherrschend von negativem Drehsinn.
Obgleich das Vorhandensein von benachbarten Oberwellen seit mehreren Jahren bekannt ist, kommt es nur bei der Polumschaltung
mit Hilfe der Polamplitudenmodulation bei großen Maschinen vor, daß die Auswirkungen der Schwingungen als
in der Praxis unannehmbar angesehen werden, und es geschieht nur mit der vorliegenden Erfindung, daß eine grundsätzliche
Abhilfe hiergegen gefunden worden ist. Bei kleineren Maschinen sind diese Radialkräfte auch vorhanden, aber sie sind weniger
in der Lage,nachteilige Schwingungen zu erzeugen, weil die
Ständergehäuse für kleinere Motoren für gewöhnlich im Verhältnis kräftiger als die von großen Motoren ausgebildet
sind. Dennoch vermögen starke benachbarte Oberwellen ein beträchtliches Anwachsen von hörbarem Lärm zu verursachen.
Zu diesem Zwecke kann es vorteilhaft sein, die Abhilfe gemäß der vorliegenden Erfindung bei kleinen Motoren anzuwenden,
insbesondere da diese Abhilfe einfach anzuwenden ist und die Kosten dafür gering sind.
Es seien nun die Ordnungszahlen der benachbarten Oberwellen und ihr Drehsinn betrachtet, die sich leicht, wie nachstehend
wiedergegeben, ableiten lassen.
Wie bereits erwähnt, haben die einer P.A.M.-Wicklung durch
die Vor-Modulation der Wicklung auferlegten Hauptoberwellen geringer Ordnungszahl Ordnungszahlen (p^ -2), (P1" 4) usw.,
wobei p- die ursprüngliche Polpaarzahl ist. Die Größe dieser Oberwellen nimmt sehr schnell mit zunehmender Ordnungszahl
ab. Die größte benachbarte Oberwelle vor der Modulation hat deshalb die Ordnungszahl (p. - 2) und ist
gänzlich oder vorherrschend von negativem Drehsinn.
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Die von der Modulation herrührenden Haupt-Oberwallon niedriger
Ordnungszahl beruhen entweder auf der dritten wberwellenkcmponente
der Phasendurchflutungen oder der dritten Oberwellenkomponente der Modulationswelle. Die (gewünschte)
Resultierende der Modulation für ein Polzahlverhältnis kleiner al: 2 : 1 beträgt (P1 + 1) Polpaare, und die (unerwünschte)
resultierende haupt-Cberwelle ist demzufolge (p- + 3) Polpaare,
worin P1 die Originalanzahl der Polpaare ist. Ausgedrückt
in Einheiten der Haupt-Polpaarzahl (p?) für eine
P.A.M.-Wicklung mit Polzahlverhältnis kleiner als 2 : 1
nach ihrer Modulation ist dann die unerwünschte benachbarte Haupt-Oberwelle von der Ordnungszahl (p2 + 2), und diese besitzt
auch negativen Drehsinn.
In nächstfolgender Betrachtung der Auswirkung des Käfigläufers auf die Durchflutungs-Oberwellen, die in einem
P.A.M.-Induktionsmotor vorhanden sind, ist das von der
Haupt-Durchflutung erzeugte rotierende Feld B sin (πθ - to t)
das fundamentale rotierende Magnetfeld. Alle übrigen Durchflutungskomponenten
sollten im normalen Betrieb grundsätzlich völlig durch Ströme in der Käfigwicklung neutralisiert
werden, so daß im Idealfall kein anderer magnetischer Fluß in der Maschine als dieses fundamentale Feld vorhanden
ist, wenn die Maschine im normalen Betrieb arbeitet. In der Praxis werden die größeren Oberwellen-Durchflutungen
nicht vollständig neutralisiert, und es sind die von diesen remanenten Durchflutungen erzeugten magnetischen Flüsse
(B ), die (typisch) durch den Ausdruck B sin (ηθ + ^0 t)
bezeichnet sind. Sie werden immer klein sein, weil sie nur proportional dem nicht neutralisierten Anteil der Oberwellendurchflutung
sind. Es sind die gegenseitigen Einwirkungen zwischen B und einer (oder mehreren) Ordnungszahl (en) von B die zusätzliche rotierende magnetische
Kraftwellen aufbauen können.
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- +CT-
Die negativ drehende benachbarte Oberwelle von (p- + 2)
= (P1 + 3) Polpaaren nach der Modulation läßt sich weniger
leicht durch die Käfigwicklung neutralisieren als die nega^
tiv drehende benachbarte Oberwelle von (p.. - 2) Polpaaren
vor der Modulation bei einer gegebenen Stärke der Oberwellendurchflutung.
Es läßt sich beobachten, daß die Ordnungszahl der benachbarten Oberwelle für eine höhere Drehzahl
in P.A.M.-Wicklungen mit Polzahlverhältnis kleiner 2:1
iror.er um "5" größer ist als die Ordnungszahl der benachbarten Oberwelle für die geringere Drehzahl. Das Verhältnis
zwischen diesen beiden Ordnungszahlen ist näher "1" für große Polzahlen und umgekehrt, beispielsweise für 8 Pole/
1o Pole beträgt das Verhältnis 2/7, während das Verhältnis
für 14 Pole/16 Pole 1/2 ist. Folglich sind benachbarte Oberwellen für große Polzahlen stärker von gleicher Bedeutung
für beide Drehzahlen.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer leichteren Ausführung
in der Praxis werden nachstehend eine Anzahl Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er-r
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Nut -Vektor-Diagramm und ein Gesamt-Modulationsschema für eine symmetrische
8 Pol/Ιο PoI-P.A.M.-Wicklung in 12o Nuten
mit zwei Phantom-Spulengruppen je Phase,
Fig. 2 ein Diagramm mit vier Kurven, welche die Ab-1 hängigkeit der Anzahl von Spulen je Spulen
gruppe von der nominellen Winkellage auf der modulierenden Welle wiedergeben,
Fig. 3 ein Wickelschema für eine bevorzugte 8 Pol/ 1o Pol-Wicklung in 12o Nuten,
Fig. 4 ein Nut -Vektor-Diagramm zur Veranschaulichung der Spulengruppierung für eine 14 Pol/8 Pol-Wicklung
in I08 Nuten und
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Fig. 5 das Wickelschema für die letztere bevorzugte 14 Pol/8 PoI-P.A.M.-Wicklung in 1o8 Nuten.
Den Zeichnungen ist ferner zur weiteren Verbesserung des Verständnisses die folgende Tabelle 1 beigefügt, in welcher
entsprechende Werte für ursprüngliche(bekannte)( Wicklung und die nach der Erfindung ausgeführte Wicklung für vier
typische Nutenzahlen bei einer symmetrischen Wicklung mit 8 Polen/1o Polen tabellarisch aufgeführt sind.
Die Erfindung liefert ein allgemeines Verfahren zur Schaffung
einer weiteren Gattung von symmetrischen P.A.M.-polunschaltbaren Wicklungen zur Minimierung benachbarter Oberwellen
mit negativer Drehrichtung. Dieses Verfahren erfordert eine absichtliche /ibkehr von der reinen sinusförrigen Modulation,
welche die theoretische Basis war, gemäß welcher die bekannten durch Pol-Amplituden-Modulation umschaltbaren Induktionsmotoren
ausgelegt worden sind.
Die Theorie der Oberwellen-Modulation läßt sich auf P.A.M.Wicklungen
für jede Polkombination anwenden. In der Praxis haben sich als gewerblich am Interessantesten Polkombinationen
von 4/6, 6/8, 8/1o, 1o/12 usw. erwiesen, bei denen die Polzahlen um "2" voneinander verschieden sind.
Die Modulation für solche Polkombinationen wird, wie in früheren Veröffentlichungen ausgeführt worden ist, für
gewöhnlich durch Gesamtmodulation der Statorwicklung bewirkt. Die Modulationswelle hat diejenige Anzahl von Halbwellen
(oder Polen), die gleich der Summe der Alternativpolzahlen ist.
Das Grundprinzip der Oberwellen-Modulation besteht darin,
daß eine unerwünschte i-urchflutungsoberwelle wesentlich
durch Hinzufügung einer zusätzlichen Modulationskomponente
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BAD ORIGINAL
zu der normalen Modulationswelle verkleinert v;erden kann.
Die besondere Oberwellen-Modulation, welche die benachbarten Durchf lutungsoberv/ellen vermindert, ist die dritte
Oberwelle der Kodulationsgrundwelle. Das Auftraten von
Schwingungen doppelter Frequenz bei großen P.A.M.-Motoren
mit symmetrischen Po!kombinationen kann auf ein sehr niedriges Maß durch Hinzufügung Dreipunk toberv/ellen-Modulation von ausgewählter Größe vermindert werden.
Die besondere Oberwellen-Modulation, welche die benachbarten Durchf lutungsoberv/ellen vermindert, ist die dritte
Oberwelle der Kodulationsgrundwelle. Das Auftraten von
Schwingungen doppelter Frequenz bei großen P.A.M.-Motoren
mit symmetrischen Po!kombinationen kann auf ein sehr niedriges Maß durch Hinzufügung Dreipunk toberv/ellen-Modulation von ausgewählter Größe vermindert werden.
Das besondere Prinzip der Dreipunktoberwellen-Modulation
wird nachstehend für die beiden Erscheinungsformen der Gesamtmodulation analysiert:
wird nachstehend für die beiden Erscheinungsformen der Gesamtmodulation analysiert:
A) Gesamtmodulation durch die Summe der Polpaare
1. Von (p- Polpaaren zu p, Polpaaren:
- (P1 + D
angewandte Modulation:
Ergebnis der Modulation:
gesucht
vorhanden
Hauptmodulation P1
Dritte-oberwellen-Modulation
P1 ±3
p-)
+ (P1 + 3)
- 3)
verminderte benach- erhöhte sub-
barte Oberwelle harmonische
niedriger Ordnungs- geringe Ord-
zahl nungszahl
gewünscht
annehmbar
Demgegenüber Vornahme der Modulation im umgekehrten Sinne: 2. Von ρ, Polpaaren zu P1 Polpaaren: P1 = (P2 ~ ^
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angewandte Modulation:
Hauptmodulation p2 -
Dritte-Oberwellen-Modulation p2 - 3
gesucht +P2) - ρ
vorhanden
<2p
+ (p2 - 3) + (p2 + 3)
= + (P1 - 2)
verminderte benach- erhöhte sub-
barte Oberwelle harmonische
niedriger Ordnungs- geringe Ord-
zahl nungszahl
aewünscht
annehmbar
In beiden vorstehenden Fällen ist der Drehsinn aller Oberwellen (Harmonischen) entgegengesetzt zum Drehsinn des
Hauptfeldes. Insbesondere haben die benachbarten Oberwellen negative Drehrichtung.
Ausgenommen bei symmetrischen P.A.M.-Wicklungen sind die
Durchflutungsoberwellen grundsätzlich unausgeglichen. Benachbarte oberweilen werden Komponenten mit sowohl positiver
als auch negativer Folge haben, jedoch ist die Komponente mit negativer Folge die größere. Die Komponente mit positiver
Folge spiegelt Differenzen zweiter Größenordnung zwischen den Epulengruppierungen der einzelnen Phasen wieder.
Diese Gesetzmäßigkeit ist auf der Grundlage einer Gesamt-Modulation
der Ständerwicklung geschaffen worden, ist aber in gleicher Weise anwendbar auf die Phasenmodulation.
Die Phasen-Modulationswelle bei einer Modulation mit einem Polverhältnis kleiner 2:1 hat sechs Pole, und die dritte
Oberwelle hat demzufolge sechs Pole. Der Abstand zwischen den Dreiphasan-Modulationswellen bei einer P.A.M.-Wicklung
mit Polverhältnis kleiner 2:1 beträgt —
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f
und inre
Dreipunkt-Oberwellenkomponenten haben demzufolge den
Abstand 2 "V , d.h. sie fallen elektrisch zusammen. Wenn
die Dreipunkt-Oberwellen-Modulationskomponenten den Phasen-Modulationswellen überlagert werden, wird demzufolge
eine Dritte-oberwellen-Modulation der Wicklung
als ganzes überlagert.
Es sei nun zur Betrachtung der Gesamt-Modulation zurückgekehrt:
E) Gesaint-Modulation durch die Differenz der Polpaaro
Dieselbe Gesetzmäßigkeit trifft in gleicher Weise auf
die Gesamt-Modulation durch die Differenz der Polpaare
zu. Ein Beispiel für eine Wicklung mit 8 Polen/14 Polen wird an späterer Stelle gegeben. Dies ist eine symmetrische
P.A.M. -Wicklung, auf welche eine Gesarpt-Modulation
mit sechs Polen angewandt wird, was gleich der Differenz der Alternativ-Polzahlen ist. Die Oberwellen-Modulation^
die zur Korrektur der benachbarten Oberwelle erforderlich ist, ist die dritte Oberwelle von
sechs Polen, d.h. eine 18-polige OberweliLen-Mcdulation.
Die einzige Änderung, die in den numerischen Verhältnissen auftritt, besteht darin, daß die benachbarte
Oberwelle für 14 Pole 1o Pole beträgt, d.h. vier Pole
weniger als die llaupt-Polzahl anstelle vier Pole mehr.
Vor der Beschreibung der praktischen Wicklungsbeispiele ist es erforderlich, die beiden Gattungen von P.A.M.-Polkombinationen
wie folgt zu betrachten;
Symmetrische P.A.M.-Polkombination, für welche keine der
alternativen Polzahlen ein Vielfaches von "3" ist, und
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2321224
/Id,
as-yiretrische P.Λ.M.-Polkombinationen, für v/elche eine der
alternativen Polzahlen ein Vielfaches von "3" ist und die andere nicht.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allein auf die Gattung der symmetrischen Polkombinationen.
Bei symmetrischen P.A.M.-Wicklungen sind die Spulengruppierungen
für alle Phasen untereinander inner identisch. Es ist deshalb möglich, die Spulen aller drei Phasen auf die
gleiche Weise umzugruppieren, und die Wicklungen werden für beide Drehzahlen ausgeglichen sein, welche Spulengruppierung
auch immer gewählt wird. Normalerweise muß die Spulengruppierung eingeschränkt werden auf niedrige ganzzahlige
Werte, weil in der Praxis alle Spulen identisch sein müssen, und die Zahl der Spulen je Pol und Phase muß
klein sein.
Line Dritte -Oberwellen-Komponente kann der Modulationswelle durch Verminderung der Spulenzahl(en) in der Mittelgruppe
(den Mittelgruppen) jeder halben Phasenwicklung und Vergrößerung der Spulenzahl(en) in der Außengruppe (den
Außengruppen) hinzugegeben werden.
In der Tabelle 1 sind acht verschiedene symmetrische 8 Pol/Ιο PoI-P.A.M.-Wicklungen aufgeführt mit jeweils
zwei alternativen Ausführungen für jeden der vier Ständer mit verschiedenen Nutenzahlen. Von den beiden möglichen
Wicklungsausführungen ist die erste eine bekannte 8 Pol/ 1o Pol-Wicklung, deren Auslegung auf sinusförmiger Modulation
beruht, und die zweite Wicklungsausführung stellt die mit hinzugefügter Dritte -Oberwellen-Modulation dar. Die
Eigenschaften aller acht Wicklungen sind tabellarisch zu-
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- Mr-
sammengestellt, und es läßt sich ersehen, daß der Durchflutungsanteil
der benachbarten Oberwelle für die Wicklung gemäß der zweiten Alternative im jeweils entsprechenden
Ständer, nämlich der Wicklung mit der hinzugefügten Dritte-Oberwellen-Modulation
stark vermindert ist.
Es läßt sich ferner feststellen, daß der Wickelschritt für die beiden Wicklungen eines jeden alternativen Paars derselbe
ist.
Fig. 1 zeigt das Zait-Vektor-Diagramm und das Gesamt-Modulationsschema
für die 8 Pol/Ιο PoI-P.A.M.-Wicklung in einem
12o Nuten-Ständer mit derselben Spulengruppierung:
7-5-8-0- (in Wiederholung)
für jede Phase, d.h. Schaffung von zwei Phantom-Spulengruppen "O" für jede Phase. Dies ist die vierte Wicklung
in Tabelle 1, die dort mit "χ" versehen ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die dort mit einem Pfeil markierte Gesarct-Modulationswelle 8 + 1o = 18—oolig: Die dargestellte
Wicklung ist 8-polig und wird in 1o-polig durch Umkehr derjenigen Spulengruppen im stromführenden Sinne
moduliert, die innerhalb der Modulationswelle liegen, welche die Phasenbänder im Außenring des 2eit-Vektor-Diagramms
umschließt. Diese 18-polige Welle ist 8-5-7-8-5- in
Wiederholung der Spulen je Pol.
Der mittlere Ring bezeichnet die Anzahl der Spulen in jeder Spulengruppe. Der innere Ring bezeichnet die Nutennummern.
Der Wickelschritt beträgt 1o Nuten, beispielsweise von Wut 1 nach ftut 11 durchgehend.
Die Wicklungs·schaltungen sind:
8-polig - Parallel-Stern 1o-polig - Reihe-Dreieck.
Für δ Pol/1 ο Pol-Wicklungen sind die benachbarten Oberwellen
vier polig bzw. 14 Ρ°ϋ9
Tabelle 1 zeigt den Durchflutungsanteil der benachbarten
Oberwelle, den Wert von R = χ + y , worin χ - y - ζ - O
2y
die Epulengruppierung der Halbphase darstellt, die beiden Wicklungsfaktoren wß und w. sowie das Verhältnis dar magnetischen Induktion EgZE1 für die Wicklung nach Fig. 1 und für die drei anderen Dritte-Oberwellen-Wicklungen" und die entsprechenden vier bekannten Wicklungen.
die Epulengruppierung der Halbphase darstellt, die beiden Wicklungsfaktoren wß und w. sowie das Verhältnis dar magnetischen Induktion EgZE1 für die Wicklung nach Fig. 1 und für die drei anderen Dritte-Oberwellen-Wicklungen" und die entsprechenden vier bekannten Wicklungen.
Es läßt sich bemerken, daß die benachbarte Oberwelle von Polen für die 1o-polige Schaltung auf etwa ein Fünftel
in der Dritte~Oberwellen-Wicklung im Vergleich mit der
entsprechenden bekannten Wicklung und die benachbarte Oberwelle von vier Polen für die 8-polige Verbindung auf etwa
die Hälfte vermindert sind. Von diesen ist die 14-polige
benachbarte Oberwelle diejenige, die eher eine Doppelfrequenz-Schwingung erzeugt, was der Fall ist bei der 1o-poligen
Schaltung der Wicklung.
Fig. 2 zeigt vier Spulengruppierungskurven für 8 Pol/Ιο Pol-Wicklungen
in 144 Nuten, von denen zwei, nämlich die mit (b) und (d) bezeichneten, auch in Tabelle 1 aufgeführt und
dort entsprechend bezeichnet sind.
Wie in Flg. 2 dargestellt, würde die Spulengruppierung der bekannten 8 Pol/Ιο Pol-Wicklungen entsprechend der "sinusförmigen"
Modulation sein:
909849/0681
(a) 6-12-6-0- (in Wiederholung) oder
(b) 7- Io -7-0- (in Wiederholung)
für jede Phase.
Die alternative Spulengruppierung mit der hinzugefügten Dritte .-Oberwellen-Modulation ist:
(c) 9-7-8-0 - (in Wiederholung) oder
(d) 9-6-9-0 - (in Wiederholung
für jede Phase.
Wie vorstehend erläutert, entspricht die Hinzufügung der
Dritte -Oberwellen-Modulation der Zunahme der Spulenzahl in zwei äußeren Spulengruppen und der Abnahme der Spulenzahl
in einer mittleren Spulengruppe. Die Form der Kurven (c) und (d) in Fig. 2 zeigt eine bemerkenswerte Verformung
der mehr sinusförmigen (Halbwellen-)Formen der Kurven (a)
und (b).
Der Durchflutungsoberwellengehalt, der diesen Spulengruppierungsbeispielen
entspricht, ist leicht mit dem Computer zu berechnen. Für die 8 Pol/Ιο Pol-Wicklung in 144 Nuten
würde man die Spulengruppierungsbeispiele (b) und (d) für die Beispiele der "sinusförmigen" und der " Dritte -Oberwellen-
"-Modulation wählen, und diese zwei Beispiele sind in Tabelle 1 enthalten.
Die anderen Beispiele der Tabelle 1 zeigen dieselbe Gesetzmäßigkeit
und sind durch dieselbe Durchflutungsanalyse ausgewählt.
Unter Verwendung der vorbeschriebenen Gesetzmäßigkeit läßt sich schließlich auch das Nut-Vektor-Diagramm für jede
gewünschte 8 Pol/Ιο Pol-Wicklung und für jede zulässige
Nutenzahl von 72 Nuten aufwärts leicht anfertigen.
/68t
Fig. 3 zeigt als besonderes Beispiel die Gestalt der
Dritte -Oberwellen-Modulationswicklung für eine 8 Pol/ 1o Pol-Wicklung in 12o Nuten unter Verwendung der Spulengruppierung
7-5-8-0- (in Wiederholung), eingesetzt in das NUt -Vektor-Diagramm der Fig. 1 und durch
"*" angemerkt in Tabelle 1. Tabelle 1 listet außerdem den
Gehalt an dar verminderten benachbarten Oberwelle auf.
Wenn jede halbe Phasenwicklung irgendeiner entworfenen Wicklung dargestellt wird durch x-y-z-0, dann beträgt
χ + ζ
das durch —= gegebenen Durchschnittsverhältnis (R)
das durch —= gegebenen Durchschnittsverhältnis (R)
für die 12o Nuten-Wicklung o,75 für die "sinusförmige" Wicklung und 1,5 für die " Dritte-*Oberwellen"-Wicklung.
Tabelle 1 enthält vier Beispiele von Dritte -Oberwellen" -Wicklungen für 8 Pol/Ιο Pol-Maschinen. Genau das gleiche
Auslegungsverfahren kann für andere symmetrische P.A.M.-Polkombinationen
wie 14 Pol/16 Pol- und 8 Pol/14 Pol-Maschinen angewendet werden.
Mit Ständern, die gebräuchliche Nutenzahlen aufweisen, sind die Spulenzahlen pro Spulengruppe geringer für große
Polzahlen als für kleine Polzahlen. Mit der notwendigen Eegrenzung in der Verschiebung ganzzahliger Spulenzahlen von
einer mittleren Spulengruppe zu äußeren Spulengruppen bei der Änderung der Spulengruppierung zur Schaffung der
Dritte-Oberwellen-Modulation ist der in Fig. 2 gezeigte
optimale Kurvenverlauf nicht immer erzielbar. Bisweilen mag es vorzuziehen sein, für symmetrische P.A.M.-Polkombinationen
das später beschriebene Auslegungsverfahren, wie
es für asymmetrische P.A.M.-Polkombinationen verwendbar ist#
zu benutzen und damit von der einfachen Spulengruppierung abzuweichen.
Die oben in Verbindung mit der Tabelle 1 beschriebenen
909849/0681
232Ί224 - .a©- -
Ausführungsbsispiele sind symmetrische P.A.M. -Wicklungen
mit Verwendung der Summen-Gesamtmodulation, was bedeutet,
daß die auf die gesamte Dreiphasen-Wicklung angewandte, (Grund)-Modulationswelle eine Polzahl gleich der Summe
der beiden alternativen Polzahlen aufweist. Es gibt eine zweite Untergattung von symmetrischen P.A.K1.-Wicklungen,
welche die Differenz-Gesamtmodulation anv/endet, d.h., die auf die gesamte Dreiphasen-Wicklung angewandte (Grund)-Modulationswelle hat eine Polzahl gleich der Differenz der beiden alternativen
Polzahlen.
Dabei kommt eine ähnliche Gesetzmäßigkeit zur Anwendung.
Für das Beispiel einer 8 Pol/14 Pol-Wicklung ist die Differenz-Gesaritmodulation
vorzuziehen, weil (14-8) =6 und damit ein Vielfaches von "3" ist, während(14 + 8) =22 ist,
was kein Vielfaches von "3" ist.
Numerisch wird die Ordnungszahl der benachbarten Oberwellen
wahlweise geändert, jedoch bleibt das Prinzip der hinzugefügten
Dritte -Oberwellen-Modulation zur Verminderung des Anteils der benachbarten Oberwellen ungeändert.
Unter Fortsetzung des 8 Pol/14 Pol-Beispiels liefert die Wicklung acht Pole, wenn sie unmoduliert ist,und (8-3x6)
Pole,wenn sie moduliert ist, d.h. 14 Pole mit der geforderten
Polzahl und zwei Polen als annehmbarer subharmonischen Oberwelle.
Die benachbarte überwelle für 14 Pole hat 1o Pole. Die
Differenz der Ordnungszahlen ist nach wie vor 2, jedoch in diesem Fall von niedrigerer Ordnungs zahl als die
betriebliche Polzahl von 14 Polen.
Die - Dritte -Oberwellen-Modulation liefert (8-3x6)
909840/0881
2321224 - ■*+ -
Pole = (8 - 18) Pole, d.h. 1o Pole gleich der benachbarten Oberwelle und 26 Pole, eine Oberwelle höherer Ordnung, deren
Größe durch Sehnung vermindert werden kann.
Durch Auswahl des Betrags der hinzugefügten Dritte-Oberwellen-Modulation
kann die resultierende benachbarte Oberwelle in der 14-poligen Felderregerkurve auf einen
niedrigen Wert herabgesetzt werden.
Für die 8 Pol-Verbindung hat die benachbarte Oberwelle vier Pole, wie dies der Fall für eine Maschine sein würde,
bei der die Summen-Gesamtmodulation angewandt ist. Die
vier Pole betragende benachbarte Oberwelle bei der 8 Pol-Schaltung
wird in ähnlicher Weise durch die Dritte-Oberwellen-Modulation verringert.
Zunächst wird das 14-polige Nut-Vektor-Diagramm mit 42
Spulengruppen aufgestellt. Dabei werden, wie festgestellt, 6 modulierende Pole vorhanden sein, jeder mit sieben
Spulengruppen und 18 Spulen, die zusammen 1o8 Nuten einnehmen .
Gemäß der früheren Theorie der nahezu sinusförmigen Modulation würde die Spulengruppierungsverteilung der 18 Spulen
lauten
1-2-3-5-4-2-1,
wobei die Spulengruppe von fünf Spulen die Mitte des modulierenden Poles darstellt.
Diese Spulengruppierung ist unten bei (Λ) wiedergegeben.
Davon abgeleitete Spulengruppenverteilungen mit zunehmend größerem Gehalt an einer dritten Oberwelle sind bei
(B) - (E) aufgezeigt. Die dazwischen liegenden Zeilen (a)
- (d) geben solche Spulengruppen wieder, von denen Spulen abgezogen (-), und jene anderen Spulengrupperiwieder, zu
denen Spulen hinzugefügt (+) sind. Die Nummern mit den
90984^/0681
Vorzeichen stellen die resultierende Änderung gegenüber
der ursprünglichen sinusförmigen Spulengruppierung dar. Line KuIl bedeutet die Rückkehr zur ursprünglichen Spulengruppennummer.
(A) 1-2-3-5-4-2-1 (a) +1.-1.
(B) 1-2-4-4-4-21
(b) +1 0 -1 -1 +1
(C) 1-3-3-4-3-3-1-
(c) +1-0-2-1 - +1 +1
(D) 1-3-3-3-3-3-2
(d) +1 +1 -3 0+1 0
(E) 1-3-4-2-4-3-1
Von den fünf oben aufgelisteten Wahlmöglichkeiten besitzen (A)·, (B) und (C) einen unzureichenden Modulationsgehalt
der dritten oberwelle, Die Wahlmöglichkeit (L1) hat einen
übermäßigen Modulationsgehalt mit der dritten Oberwelle.
Die Kahlmöglichkeit (D) ist die richtige.
Es hat keinen Einfluß auf das der Erfindung entsprechende Verfahren, ob eine Maschine gemäß einer jeden der fünf
WahlKiöglichkeiten tatsächlich hergestellt und erprobt wird.
Dies zu tun, wäre Zeit- und Materialvergeudung, und es ist, deshalb die Compüteranalyse vorzuziehen. Das Endergebnis
ist das gleiche.
Fig. 4 zeigt die Spulengruppierung pro Phasenband und die
Gesamt-Modulationswelle für die 14 Pol/8 PoI-P.A.M.-Wicklung
in 1o8 Nuten unter Verwendung der Spulengruppierungsverteilung gemäß der obigen Wahlmöglichkeit (D) in Übereinstimmung
mit der Erfindung.
90984Ö/0581
2321224
Jedoch ist die erfindungsgemäße Wicklung eine Zwischenwicklung
bei der praktischen /vuslegung der vorzuziehenden Wicklung für diese Polkoir.bination und Nutenanzahl.
Diese Zwischenwicklung ist eine, nach v/elcher ein weiterar
und bereits bekannter Auslegungsbehelf, "Einsprengung" genannt, ausgeführt werden kann.
Gemäß diesem Verfahren werden benachbarte Spulen oder Spulengruppen, eine nach der anderen, ausgetauscht. Vorausgesetzt
daß dieser Vorgang an im gleichen Abstand gelegenen Punkten rundjum den Wickelunifang genau wiederholt wird,
dergestalt, daß ein jedes Paar der drei Phasen in gleicher Weise betroffen wird, bleibt der resultierende Durchflutungsausgleich
der Wicklung ungeändert.
In einer P.A.M.-Wicklung, die mit Serie/Parallel Schaltungen
für die Polumschaltung arbeitet, müssen sechs im gleichen Abstand voneinander entfernte Spulenpaare oder Spulengruppenpaare
ausgewechselt werden.
Fig. 4 zeigt mit Hilfe von Vertauschungspfeilen die sechs
betroffenen Spulengruppenpaare sowie die resultierande Wicklung
nach der Auswechslung mit der resultierenden Spulengruppierung 2-3-3-3-3-3-1 je modulierender Pol.
Wenn diese Spulengruppierung mit der oben angegebenen Spulengruppierung (A) verglichen wird, ist es einleuchtend,
daß eine dritte Oberwelle der Modulation der Wellenform (A) überlagert worden ist,
Fig. 5 gibt das Wickelschema für die abgeleitete Wicklung
für 14/8 Pole in 1o8 Nuten wieder. Der Wickelschritt beträgt 11 Nuten. Die zehnpolige benachbarte Oberwelle in
der 14-poligen Schaltung ist 1o,o %. Die Wickelfaktoren
sind W14 = o,696 und wg = o,793. Das Verhältnis der Luft-
90984Ö/0G81
spaltinduktion ist (Bg/B..^) = o,99. Die Gesamtzahl der verwendeten
Spulengruppen ist 42.
909849/0681
•η-
Nutenzahl, Wickelschritt Spulengruppie rung einer Halb phase (x-y-z-oj |
benachb. Oberw. | f.10Pole | R | W8 | w10 |
B8
B10 |
144 (urspr J Nuten ] 2 (7-10-7-0W36n |
f. 8 Pole | x+z" | 0.748 | 0.825 | 1.02 | |
144 (korr. ) Nuten 12 (9-6-9-0)Nuten |
22.0 | [2yJ | 0.773 | 0.776 | 0.93 | |
120 (urspr} Nuten ig (5-8-6-0) Nuten |
37.4 | 4.0 | 0.70 | 0.753 | 0.826 | 1.01 |
120 (korr.) Nuten !ρ (7-5-8-0) Nuten |
19.6 | 20.7 | 0.772 | 0.776 | 0.93 | |
108 (ursprJ Nuten 10 (5-8-5-0|Nuten |
35.3 | 4.7 | .50 | 0.7B4 | 0.845 | 0.99 |
108 (korr. ) (7-4-7-0) 10 (7-5-6-0) Nuten |
20.3 | 21.7 | 0.75 |
0.819
0.818 |
0.780
0.815 |
0.88
0.92 |
72 (urspr.) ^uten 7 4-5-3-0) Nuten |
42.4 |
0.1
7.5 |
1.50 | 0.811 | 0.854 | 0.97 |
72 (korr. ) futen 7 5-3-4-0) Nuten |
17.8
23.8 |
19.4 | 0.62 | 0.838 | 0.804 | 0.86 |
40.4 | 5.0 |
1.75
1.30 |
||||
22.6 | 0.72 | |||||
1.50 |
TABELLE ] 8/10-Police P.A.M. Wicklungen mit
3. Oberwellen-Mbdulation
909849/0681
-it-
Leerseite
Claims (3)
- PatentansprüchePolumschaltbar Drehstrommaschine mit einer durch Pol-Anplituden-Moaulation gemäß einer phasenweisen oder Gesamt-Modulationsschema umschaltbaren symmetrischen Ständerwicklung, dadurch gekennzeichnet , daß zur Polumschaltung alle Spulen einer jeden Phase in entweder der einen oder der anderen der beiden Wicklungsteile angeordnet sind, wobei diese phasenweisen Wicklungsteile alternativ in Reihe oder parallel zueinander zur Schaffung der beiden Polzahlen schaltbar sind und der von der Spulengruppierung der Phasenwicklung bestimmte Kellenverlauf des Modulationsschemas sich der Sinusform mit einem zusätzlichen Modulationsanteil der dritten Oberwelle annähert^dergestalt, daß der Anteil der benachbarten Oberwelle in der Felderregerkurve der Dreiphasen-Wicklung für beide Polzahlen geringer ist als für eine Modulationswelle von sinusförmiger Gestalt ohna Hinzufügung des Modulationsanteils der dritten Oberwelle.
- 2. Polumschaltbar Drehstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pol-Amplituden-Modulation eine Sumiuen-Gesamtmodulation ist.
- 3. Polumschaltbar Drehstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pol-Amplituden-Modulation eine Differenz-Gesamtmodulation ist.809849/0681
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