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Elektrische Meßeinrichtung zur Untersuchung von Wechselstromgrößen
nach Phase und Größe mit Synchrongleichrichtern Zusatz zum Patent 853 4J?6
Das Patent
853 476 betrifft eine elektrische Meßeinrichtung, bestehend aus inem mechanischen,
von einem Synchronmotor angetriebenen und als Gleichrichter vor ein Gleichstrommeßgerät
geschalteten Druckkontakt. Diese Einrichtung wird im Hauptpatent verwendet zur Messung
von Wechselstromgrößen nach Phase und Größe, indem durch Verdrehung des Druckkontakts
gegenüber der Phasenlage des Synchronmotors die Phasenlage von Wechselstromgrößen
zueinander und durch das Meßgerät die Wechselstromgrößen selbst gemessen werden.
Dabei handelt es sich um ein vielseitiges Gerät der Meßtechnik, das eine Reihe neuer
Meßverfahren erschließt.
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Die Erfindung besteht in der Anwendung diescs Geräts zur Untersuchung
von Umspannen, Wandlern und Wechselstrommaschinen unter Benutzung von Vor-und Nebenwiderständen
bzw. Gegeninduktivitäten. In den Zeichnungen sind einige Ausfuhrungsbeispiele der
Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt Fig. I eine Schaltung zur Messung
des zeitlichen Verlaufs des Leerlaufstroms eines Transformators; in Fig. 2 ist eine
Schaltung zur Feststellung der primären oder sekundären Windungszahl eines Transformators
oder Wandlers dargestellt; Fig. 3 zeigt eine Anordnnng zur Messung der Kurzschlußspannung
und ,des Wirkungsgrades eines Transformators, während mit der Anordnung gemäß
Fig.
4 das Übersetzungsverhältnis und der Spannungsabfall bei Belastung gemessen werden;
in Fig. 5 ist das dazugehörige Vektordiagramm dargestellt; Fig. 6 zeigt ebenfalls
ein Vektordiagramm und Fig. 7 die Schaltung zur Messung des Übersetzungsverhältnisses
und des Spannungsabfalls bei Belastung für Hochstromtransformatoren, bei denen eine
merkliche Stromverdrängung durch Wirbelströme eintritt; die Schaltung Fig. 8 dient
zur Spannungswandlereichung durch Vergleich mit einem Normalwandler; die Anordnung
Fig. g ermöglicht eine Stromwandlereichung mit Ohmschen Nebenwiderständen, Fig.
10 eine Stromwandlereichung durch Vergleich mit einem Normalwandler.
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Um den zeitlichen Verlauf des Leerlaufstroms eines Transformators
mit der Primärwicklung T1 und der Sekundärwicklung Pa zu messen, wird eine Schaltung
gemäß Fig. 1 vorgesehen. An einer Spannung- U liegt eine möglichst verlustfreie
Gegeninduktivität M in Reihe mit der Primärwicklung T1 des Transformators.
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Seine Sekundärwicklung T2 ist offen. Mittels eines Umschalters S kann
der aus Meßkontakt K und Drehspulinstrument D bestehende Vektormesser wahlweise
an die Eingangsspannung U oder an die Sekundärwicklung der Gegeninduktivität angeschlossen
werden.
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In der Stellung I des Schalters S wird durch Verdrehen der Skala des
Vektormessers, d. h. durch Veränderung der Phasenlage der Schließzeit von o bis
360° bei einer Kontaktzeit von I80 el. Graden, der zeitliche Verlauf des Leerlaufstroms
gemessen, und zwar bei konstanter Netzspannung mit einer Genauigkeit, welche die
der Messung mit Schleifen- oder Kathodenoszillographen wesentlich übertrifft, nämlich
mit der Genauigkeit des verwendeten Drehspulinstruments. Die bei guten Instrumenten
vorhandenen Fehler betragen bei Vollausschlag etwa 0,2 °/o.
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Die so gewonnenen Meßwerte eignen sich daher zur genauen rechnerischen
harmonischen Analyse, welche die Grundwelle und die Oberwellen des Stroms, also
die Kurvenform, ergibt. Wird die Phasenlage des Stroms auf die der angelegten Spannung
U bezogen, indem nach Fig. 1 der Schalter in die Stellung 2 umgelegt wird, so ergibt
die harmonische Analyse sowohl die Wirk- als auch die Blindkomponente der Grundwelle
des Magnetisierungsstroms. Hierbei wird das Kontaktgerät K bei I80 el. Graden Kontaktschließzeit
hinsichtlich des Zeitpunktes des Kontaktschlusses so eingestellt, daß das Drehspulinstrument
D keinen Ausschlag zeigt. Bei sinusförmiger Netzspannung U sind dann die Eisenverluste
gegeben durch das Produkt aus dieser Netzspannung und der Wirkkomponente des Magnetisierungsstroms.
Auf diese Weise können mit dem Vektormesser die Eisenverluste des Transformators,
und zwar auch sehr kleiner Leistung, gemessen werden.
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Gegenüber den bisher üblichen Verfahren haben die oben erläuterten
Messungen den Vorteil, daß sie ohne Wattmeter und Oszillograph allein mit dem Vektormesser
mit großer Genauigkeit durchführbar sind, und zwar auch bei sehr kleinen Prillingen,
bei denen die üblichen Wattmeter zu unempfindlich sind und empfindliche Oszillographenschleifen
infolge ungenügend hoher Eigenfrequenz erhebliche Fehler haben.
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Zur Feststellung der primären oder sekundären Windungszahl eines
Transformators wird in der Schaltung nach Fig. 2 eine Hilfswicklung H bekannter
Windungszahl um den Eisenkern E des Transformators mit der Primärwicklung T1 und
der Sekundärwicklung T2 gelegt. K ist wieder der von einem Synchronmotor betätigte
Meßkontakt. Die Schaltung enthält parallel zu der zu messenden Wicklung einen Spannungsteiler,
dessen Widerstandsverhältnis r1 : r2 so abgeglichen wird, daß das Drehspulinstrument
D keinen Ausschlag zeigt. Dann ist die Windungszahl w=r1 + r2/r1, d.h. die Spannung
an der Hilfswicklung H wird gegen eine Teilspannung der Hauptwicklung kompensiert
und aus dem Teilverhältnis des Spannungsteilers die Windungszahl errechnet. Dieses
Verfahren läßt sich im Hinblick auf die große Empfindlichkeit des Drehspulinstruments
auch bei kleinsten Typen mit Windungsspannungen von z. B. Io-2 Volt ausführen.
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Zur Messung des Leerlaufstroms kann an einem Ohmschen Nebenwiderstand
ru in der Schaltung der Fig. 3 bei offener Sekundärwicklung T2 in der Stellung I
des Umschalters S mit dem Vektormesser der arithmetische Mittelwert der Halbwelle
des im allgemeinen stark von der Sinusform abweichenden Leerlaufstroms gemessen
werden. Zu diesem Zweck wird die Kontaktschließzeit von x8o el. Graden, bezogen
auf die Grundwelle, eingestellt und der Zeitpunkt des Kontaktschlusses so gewählt,
daß der Ausschlag des Drehspulinstruments ein Maximum ist.
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Wira nun in dieser Schaltung die Sekundärwkkl mg T2 kurzgeschlossen,
so ist es möglich, die Kurzschlußspannung und den Wirkungsgrad des Transformators
festzustellen. Kontaktgerät und Drehspulinstrument können bei dieser Messung mittels
des Schalters S entweder parallel zu einem Nebenwiderstand rn oder an die Eingangsspannung
U gelegt werden. In der Schalterstellung 2 wird die Spannung U und in der Schalterstellung
I der Strom, das ist der primäre Kurzschlußstrom Jlk bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung
T, nach Größe und Phasenwinkel qVk bestimmt. Dann ist die Kurzschluß spannung uk
= = U Jnenn (I) J wobei Jnenn den primären Nennstrom bedeutet.
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Daraus ergibt sich Uk # sin #k #(L1 + ü2L2) = Jnenn R1 + it2R2 = gk
cos Jnsnn und die Wicklungsverluste bei Nennstrom Vw = Jnenn i£ cos (pk.
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Darin bedeuten w = 2sf die Kreisfrequenz, L1 und L2 die primäre und
sekundäre Wicklungsinduktivität,
R1 und R2 den primären und sekundären
Ohmschen Widerstand der Transformatorwicklungen, i = ü0 = w1/w2 das Leerlaufübersetzungsverhältnis.
Mit den vorher festgestellten Eisenverlusten ist damit der Wirkungsgrad abhängig
von der Belastung gegeben.
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Das Übersetzungsverhältnis und der Spannungsabfall bei Belastung
kann mit einer Schaltung nach Fig. 4 gemessen werden. An der Primärwicklung - T1
des Transformators liegt eine Spannung Ul, an der Sekundärwicklung, die mit einem
Widerstand R belastet ist, die Spannung U2. Primär- und Sekundärwicklung sind über
einen Spannungsteiler rl, r2 gegeneinandergeschaltet, und im Sekundärkreis liegt
das Kontaktgerät K und das Drehspulinstnunent D. Im Stromkreis der Sekundärwicklung
ist außerdem ein Widerstand r vorhanden. Zur Messung wird im Leerlauf das Übersetzungsverhältnis
durch Kompensieren der Sekundärspannung U2 gegen einen Teil der Primärspannung U1
genau festgestellt. Die Kontaktschließzeit beträgt I80 el Grade, und der Zeitpunkt
des Kontaktschlusses ist so gewählt, daß das Instrument den maximalen Ausschlag
zeigt Dabei wird der Spannungsteiler r1, r2 gegebenenfalls bei Hochspannung unter
Zwischenschaltung eines Spannungswandlers so abgeglichen, daß das Drehspulinstrument
bei Leerlauf (R = #) des Transformators Null anzeigt. Dann ist das Übersetzungsverhältnis
bei Leerlauf r1 + r2 ü0 = . r2 Bei Belastung ändert sich des Übersetzungsverhältnis
dadurch, daß ein Spannungsfall #u auftritt. In der Schaltung Fig. 4 wird dieser
Spannungsabfall aus der jetzt eintretenden Änderung des Instrumentenausschlags bei
unveränderter Einstellung des Spannungsteilers festgestellt. Außerdem wird die Spannung
U2 und der Winkel ß zwischen du und U2 gemessen.
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Dieser ergibt sich ohne weiteres als Differenz der Skaleneinstellung
des Vektormessers bei der Messung von du und U2, wobei bei beiden Messungen das
Kontaktgerät so eingestellt wird, daß das Drehspulinstrument Null anzeigt. Dann
ist
Dabei bedeutet U1 die Primärspannung, üO das Übersetzungsverhältnis bei Leerlauf,
U2 die Sekundärspannung, #u den Spannungsabfall und ß den Winkel zwischen den Spannungen
ilu und U2. Daraus ergibt sich das Übersetzungsverhältnis bei Überlastung
Bei kleinen Werten von zlu/U2 U2 wird daraus
Da ü0 nach einer Nullmethode und das Korrektunglied #u # cos ß U2 mit der Genauigkeit
des Drehspulinstruments gemessen wird, ergibt sich das Übersetzungsverhältnis genauer
als bei, unmittelbarer,- Messung mit genauen Wechselspannungsmessern. Aus der Messung
des Übersetzungsverhältnisses bei -Leerlauf und Be lastung kann der Spannungsabfall
des Transformators bei Belastung nach Größe und Phase gemessen werden.
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Die Schaltung nach Fig. 4-kann auch dazu benutzt werden, um ohne
Kurzschlußversuch die Kurzschlußspannung uk des Transformators im normalen Betrieb
des Transformators zu messen. Dazu wird der Spannungsabfall z gemessen, wie bereits
beschrieben.
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Außerdem wird am Nebenwiderstand r der Sekundärstrom J2 und der Winkel
a2 zwischen diesen beiden Größen gemessen. Dann ist Jnenn uk = #u # (3) J2
Darin -bezeichnet uO das Leerlaufübersetzungsver hältnis.
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Die beiden letzten Gleichungen sind nur dann genau, wenn wie im Kurzschlußversuch,
der Magnetisierungs-, strom Jm = O ist, also wenn 11 um genau 180° gegen J2 gedreht
ist. Eine genauere Aufteilung der Spannung #u in eine induktive und Ohmsche Komponente
läßt sich durchführen, wenn der Winkel a2 und ein Winkel al gemessen werden und
in Gleichung 4 an Stelle von a2 der Winkel, al + a2 -2 eingesetzt wird, wobei al
den Winkel zwischen dem Spannungsabfall #u und dem Strom Jl bedeutet.
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Wenn, wie in vielen praktischen Fällen, der prozentuale Spannungsabfall
auf der Sekundärseite und auf der Primärseite angenähert gleich sind, ist dieses
Verfahren bei geringen Unterschieden zwischen den Winkeln al und α2 ziemlich
genau.
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Bei großen Winkeldiffe,renzen zwischen al und a2 und stark verschiedenen
Spannungsabfällen auf der Primär- und Sekundärseite, werden, um die primäre und
sekundäre Streuung zu ermitteln, noch die Ohmschein Widerstände der Wicklungen mit
Gleichstrom und der Betrag der Ströme J1 und J2 gemessen. Dann wird nach Fig. 5
der Spannungsabfall J2 . R2 in Richtung yon -h und -J1 # R1 ü02 in Richtung von
je aufgetragen, und in den Endpunkten E1 und E2 werden Senkrechte auf und J1 errichtet,
die sich im Punkt 0 schneiden. Die
Strecke E10 ist dann der primäre
und die Strecke E2 0 der sekundäre induktive Spannungsabfall.
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Haben die Wicklungen z. B. bei Hochstromtransformatoren gegenüber
Gleichstrom merkliche Widerstandserhöhung durch Stromverdrängung infolge von Wirbelströmen,
so muß, wie in Fig. 2 mit einer Hilfswicklung H, z. B. einer Windung, unmittelbar
auf dem Eisenkern E gearbeitet werden. Der Winkel a2 nach Fig. 6 und der Betrag
U2 werden gemessen. Die Schaltung ist in Fig. 7 dargestellt. Dabei wird der Spannungsteiler
r2/rl so abgeglichen, daß im Leerlauf (R1 = #) der Instrumentenausschlag Null ist,
und zwar in der Schalterstellung 1. Dann zeigt das Instrument bei Belastung in der
Schalterstellung I und bei Drehung des Vektormessers auf maximalen Ausschlag den
Betrag U2/w2, wobei w2 die sekundäre Windungszahl bedeutet. Der Winkel a2 wird durch
UmschaIten des Vektormessers von der Schalterstellung 2 auf den Nebenwiderstand
r gefunden. Aus den gemessenen Werten U2 und a2 ermitteln sich nach den Gleichungen
#U2 sin α2 #U2 cos α2 #L2 = r2 = (4a) J2 Ja der sekundäre induktive
Spannungsabfall (Strecke OE2) und der Ohmsche Spannungsabfall (Strecke OA) und aus
letzterem durch Vergleich mit einer Gleichstrommessung die Widerstandserhöhung durch
Stromverdrängung. Durch Umlegen des Spannungsteilers und des Nebenwiderstandes auf
die Primärseite, unter Umständen über Wandler, läßt sich ebenso die Primärwicklung
untersuchen. Durch Kompensieren der Spannung an der Hilfswicklung H gegenüber der
Spannung an der Primär- oder Sekundärwicklung des Transformators ist es also möglich,
den Spannungsabfall der Primär- und der Sekundärwicklung getrennt nach Größe und
Phase zu messen.
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Zur Genauigkeit dieses Verfahrens ist zu sagen, daß in der Gleichung
(4a) der Quotient #U2/J2 mit der Genauigkeit eines Drehspulinstruments gemessen
wird, also bei genügend großen Ausschlägen mit #0,4%. Der Winkel α2 wird mit
der Genauigkeit des Vektormessers, also z.B. #0,004 (oder #0,2°), gemessen. Ist
beispielsweise α2 = 45°, so können seine Kreisfunktionen etwa mit einer Genauigkeit
von io,oo4 und demzufolge die Werte L2 und r2 mit einer Genauigkeit von + o,8 010
gemessen werden.
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Die Messung ist auch bei sehr kleinen Prüflingen möglich. Sind beispielsweise
U2= 200 V, die Windungsspannung Io-2 V und der sekundäre Spannungsabfall 1%, so
ist #U2/w2= 10-4 V demnach noch mit einem Zeigerinstrument zu messen. Bei größeren
Transformatoren liegt die Windungsspannung in der Größenordnung von I V, also A
U2/w2 in der Größenordnung von Io-2 V. Diese Spannung ist mit einem normalen 60
Millivoltinstrument meßbar.
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Die Spannungswandlereichung kann in der Schaltung der Fig. 4 ebenfalls
mit dem Vektormesser vorgenommen werden. Dazu wird mit dem Spannungsteiler rI/ra
der Sollwert der Übersetzung r1 + r2 ü = r2 eingestellt, und abhängig von der Bürde
R die Spannung #u nach Größe und Phase gemessen. Mit Gleichung (2) ergibt sich dann
für den Spannungsfehler p und den Fehlwinkel #u sin ß tg # = . (5) U2 #u cos ß p
= . (5a) U2 Die Gleichung für den Spannungsfehler folgt aus der Näherungsgleichung
(2a), und der Spannungsfehler p ist dabei definiert durch p =ü-ü0. ü0 Bei p = 0,005
und tg # = IO-4 (Wandlerklasse E) ist #u # cos ß = 1 V und #u # sin ß = 2 # 10-2
V.
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Beide Größen lassen sich mit einem normalen 60 Millivoltinstrument
messen. Zur Messung von #u # cos ß wird die Kontaktschließzeit auf 180 el. Grade
eingestellt und der Zeitpunkt des Kontaktschlusses so gewählt, daß der maximale
Ausschlag eintritt. Die Skala des Vektormessers ist damit in die Richtung von der
Spannung U2 gestellt worden. Zur Messung der Spannung i1 sin B muß der Vektormesser
senkrecht zur Spannung U2 gestellt werden. Da tg < sehr viel kleiner als I ist,
würde dieses Verfahren ungenau sein. Es wird daher so vorgegangen, daß bei Einstellung
der Skala des Vektormessers in Richtung der Spannung U2 der Spannungsteiler r2/rl
so abgeglichen ist, daß #u # cos ß = 0 ist. Dann wird die Skala des Vektormessers
um 90° gedreht und Au sin B abgelesen.
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Statt mit einem Spannungsteiler kann auch mit einem normalen Spannungswandler
N gearbeitet werden, wie dies Fig. 8 zeigt. Die Sekundärkreise des Normalwandlers
N und des zu untersuchenden Wandlers N, sind dabei über den Meßkontakt K und das
Drehspulinstrument D gegeneinandergeschaltet. Durch den Verbrauch des Drehspulinstruments
D ergeben sich kIeine Korrekturen, die hier nicht berücksichtigt wurden, sich jedoch
im Bedarfsfalle rechnerisch genau erfassen lassen. Sowohl der Spannungsfehler p
als auch tg d werden mit der Genauigkeit des Drehspulinstruments gemessen. Bei dem
üblichen Verfahren mit Vibrationsgalvanometern ist die Meßgenauigkeit durch die
Genauigkeit der Widerstände und des Abgleichkondensators gegeben. Die Genauigkeit
des Abgleichs von Präzisionswiderständen ist etwa 0,1% vom Sollwert, die Genauigkeit
eines Gleichstrompräzisionsinstruments etwa 0,15 0/o vom Höchstwert des Ausschlages.
Daraus ergibt sich, daß das Verfahren mit dem Vektormesser den bekannten Verfahren
mit Vibrationsgalvanometern nicht allzuviel nachzustehen braucht. Es hat aber gegenüber
letzterem den Vorteil größerer Einfachheit und geringeren Aufwandes an hochwertigen
Sp ezialinstrumenten.
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Im übrigen läßt sich die Messung des Spannungsfehlers p durch Abgleich
des Spannungsteilers auch als Nullmessung ausführen, so daß für diese Größe die
gleiche Genauigkeit wie bei der Messung mit Vibrationsgalvanometern erreicht wird.
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Eine Eichung eines Stromwandlers Str kann in der Schaltung nach Fig.
g erfolgen. Es wird im Sekundär-
kreis des Wandlers wieder ein Spannungsteiler
r2/r verwendet und so eingestellt, daß bei fehlerlosem Wandler der Spannungsabfall
an r2 gleich dem an der Bürde R wäre. Durch Kompensieren des Spannungsabfalls an
dem im Hauptstromkreis liegenden Nebenwiderstand r auf der Primärseite gegenüber
dem Spannungsabfall an der Bürde R auf der Sekundärseite des Wandlers wird der Fehler
genau gemessen.
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Damit wird also die Differenzspannung A U nach Größe und Phase festgestellt.
Bei einer Belastung von beispielsweise 15 VA und einem Sekundärstrom J2 = 5 A ist
U2 = 3 V. Für einen Stromwandlr der Klasse E mit einem Fehler p = o,oo, und einem
tg b = IO 4 wird damit die Spannung Afs cos ß = I5 . IO3 und #u # sin ß = 0,3 #
10-3 V. Beide Größen lassen sich also noch mit einem spitzengelagerten Instrument,
z. B. einem Lichtztigerinstrument, messen. Wie bei der Spannungswandiereichung kann
auch hier zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Messung der Spannung i1X- cosß der
Spannungsteiler auf Null abgeglichen und die Spannung Au @ sinus lediglich nach
Drehung der Skala des Vektormessers in die zur Spannung U2 senkrechte Lage als Ausschlag
des Instruments gemessen werden. Die Kontaktschließzeit ist auch in diesem Falle
I80 el. Grade, und der Zeitpunkt des Kontaktschlusses wird in der angegebenen Weise
geändert. Bezüglich der Genauigkeit der Eichung gilt das zur Spannungswandlereichung
Gesagte.
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Anstatt mit dem Ohmschen Nebenwiderstand r zu arbeiten, kann auch
ein normaler Stromwandler N mit der Bürde R' in der Schaltung nach Fig. IO zusätzlich
verwendet werden.
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Die Schaltungen und Meßverfahren eignen sich auch zur Untersuchung
von Wechsel- bzw. Drehstrommaschinen, welche in ihrer Wirkungsweise Transformatoren
nahestehen.