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Drehtransformator zur Durchführung elektrischer Rechenoperationen
Es ist bereits bekannt, Multiplikationen von zwei Größen mittels eines elektrischen
Vierpols durchzuführen. Wird .dem Vierpol eine elektrische Spannung zugeführt, die
entweder gleich oder proportional der einen Größe ist, und wird das Übertragungsmaß
(Übertragungsfaktor) des Vierpols gleich oder proportional der anderen Größe gewählt,
so ist die am zweiten Klemmenpaar des Vierpols abnehmbare Spannung dann zwangsläufig
gleich oder proportional dem Produkt dieser beiden Größen. Das Übertragungsmaß ergibt
sich hierbei als Verhältnis der Spannung am Eingangsklemmenpaar zur Spannung am
Ausgangsklemmenpaar und kann durch Veränderung der elektrischen Leitwerte der den
Vierpol aufbauenden elektrischen Schaltelemente (Widerstände, Kondensatoren oder
Drosselspulen oder Kondensatoren und Drosselspulen) in bekannter Weise verändert
werden. Der Aufbau und die Bemessung eines derartigen Vierpols sind aber verhältnismäßig
verwickelt. Durch Hintereinanderschaltung zweier oder mehrerer derartiger Vierpole
kann auch die Muliplikation dreier oder mehrerer Faktoren ausgeführt werden.
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Die Erfindung betrifft einen, zur Durchführung elektrischer Rechenoperationen
dienenden Drehtransformator. Der gewöhnlich-,- Drehtransformator, dessen Läuferwicklung
z. B. aus dem Wechselstromnetz gespeist wird, hat hinsichtlich
seiner
In der feststehenden Stän.derspule erzeugten Ausgangsspannung eine sinusförmige
Charakteristik. Der geradlinige Ast der Ausgangsspannung reicht dabei nur bis zu
einem Drehwinkel von etwa. 30° und weist für diesen Bereich noch einen verhältnismäßig
großen Fehler auf. Unter dem Drehwinkel ist hierbei die Verstellung des Läufersgegenüber
dem Ständer aus der Nullage zu verstehen. Außerdem.steigt der der Läuferwicklung
zugeführte Primärstrom mit zunehmender Ausgangsleistung des Drehtransformators,
d. h. bei einer Verstellung des Läufers gegenüber *dem Ständer, an. Ein derartiger
Drehtransformator ist daher zur Durchführung von Rechenoperationen nicht brauchbar.
Werden auf dem Ständer zwei Feldspulen senkrecht zueinander angeordnet, so ändert
sich die eine Ausgangsspannung, mit dem Sinus, die andere mit dem Kosinus des Drehwinkels.
Bei gleichmäßiger Belastung der beiden Ausgänge bleibt der Primärstrom und damit
auch die Eingangslei,stung über einen Bereich 'von 9o° nahezu gleich. Dieser Drehtransformator
ist also ein Rechernvierpol mit sin- oder cos-förmiger Kennlinie. Der geradlinige
Bereich der Ausgangsspannung geht aber auch hierbei nur über einen Drehwinkel von
etwa 30°, und außerdem treten hierbei große Fehler auf.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß bei: einem als Rechenvierpol
dienenden Drehtransformator, dessen Primärteil eine aus einem Wechselstromnetz gespeiste
Wicklung aufweist, der Sekundärteil erfindungsgemäß zwei senkrecht zueinander angeordnete
Feldspulen trägt, deren Ausgangsspannung einzeln oder gemeinsam der Netzspannung
oder einem Teil derselben im Sinn ihrer Addition in der Wicklung des Primärteils
überlagert wird.
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Die Erfindung macht dabei von der Überlegung Gebrauch, daß bei dem
gewöhnlichen Drehtransformator mit einer.aus dem Netz gespeisten Läuferwicklung
die Ausgangsspannung nicht erst aus dem Nullpunkt, sondern bereits aus dem Minusbereich
des vierten Quadranten ansteigt. Wird die Ausgangsspannung der Netzspannung oder
einem Teil derselben überlagert, so addieren sich in der Läuferwicklung diese beiden
Spannungen.. Durch diese Maßnahme wird der geradlinige Anstieg aus dem Nullpunkt
auf einen Drehwinkel von etwa 6o° erweitert, doch ist hierbei noch die Abhängigkeit
des Primärstromes von der Ausgangsleistung vorhanden. Ein derartiger Drehtransformator
kann auch als Spannungsquelle für andere als Rechenzwecke Verwendung finden.
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Ein erfindungsgemäßer Drehtransformator bildet in seiner Ausgangsspannung
eine Funktion des eingestellten Drehwertes. Die Kennlinie der Ausgangsspannung steigt
geradlinig mit dem Drehwinkel innerhalb eines Winkelbereiches von etwa 6o° an. Innerhalb
dieses Bereiches bleibt auch der Primärstrom und damit die Eingangsleistung nahezu
konstant. Diese Kennlinien werden gemäß weiterer Erfindung unter Zuhilfenahme einer
an sich bekanntenKurzschlußspule auf die gewünschten Geraden gebracht und noch erweitert.
Die Kurzschlußspule steht vorzugsweise senkrecht zu der aus dem Wechselstromnetz
gespeisten Erregerspule und ist auf dem gleichen Teil des Drehtransformators untergebracht
wie diese. Unter dem Einfluß der Feldspule vernichtet sie das Querfeld und stellt
auch für die belastete Feldspule die Sinuskennlinie wieder her; andererseits bieten
die Beeinflussung dieser Spule und die- Belastungsänderung des Feldes weitgehende
Möglichkeiten, die Sinusfunktion in völlig andere, z. B. Tangens-oder hyperbolische
Funktionen: abzu-,vandeln.
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Gemäß weiterer Erfindung erfolgt der Kurzschluß der zusätzlich auf
dem Primärteil angeordneten Spulen über eine der beiden senkrecht zueinander angeordneten
Feldspulen. Durch diese Maßnahme wird der Spannungsanstieg der Ausgangsspannung
sehr genau geradlinig über den großen Winkelbereich von 9o°. Auch der Primärstrom
und damit die Eingangsleistung bleibt in diesem Arbeitsbereich genau konstant. Es
können daher auch mehrere Drehtransformatoren in Kaskadenschaltung zu einer Rechenoperation
vereinigt werden.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigt Fig. i die Schaltung eines Drehtransformators, Fig. 2 die
Kennlinien der Schaltung nach Fig. i, Fig. 3 eine andere Schaltung eines Drehtransformators,
Fig.4 .die Kennlinien der Schaltung nach Fig. 3, Fig.5 die Kas#kadenschaltung mehrerer
Drehtransformatoren zur Durchführung von Multiplikationen, Fig.6 die Kaskadenschaltung
mehrerer Drehtransformatoren zur Errechnung von Potenzen und Wurzeln, Fig. 7 die
Schaltung zweier Drehtransformatoren zur Bildung eines Quotienten, Fig.8 die Schaltung
mehrerer Drehtransformatoren zur Durchführung einer Addition und damit verbundener
Multiplikationen.
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In der Fig. i ist die Schaltung eines Drehtransformators dargestellt,
dessen Primärteil, z. B. der Anker, eine Wicklung i trägt, die an ein Wechselstromnetz
2. angeschlossen ist. Der Primärstrom kann mit -Hilfe eines Instrumentes 3 ermittelt
werden. Auf dem feststehenden Sekundärteil sind zwei senkrecht zueinander angeordnete
Feldspulen 4. und 5 untergebracht, die je mit einem Widerstand 6 bzw. 7 abgeschlossen
sind. Die Ausgangsspannung der Feldspule 4 ändert sich dabei mit dem Sinus, die
Ausgangsspannung der Feldspule 5 dagegen mit dem Kosinus des Drehwinkels, d. h.
desjenigen Winkels, mit dem der drehbare Teil des Drehtransformators gegenüber dessen
feststehenden Teil verstellt wird. Die Ausgangsspannungen der Feldspulen 5 und 6
sind ixt dem gezeigten Beispiel ferner einem Teil der Spannung des Wechselstromnetzes
2 in .der Wicklung i des Primärteils additiv überlagert. Die Widerstände 6 und 7
sind aufeinander abgestimmt. Durch ihre Änderung lassen sich die Kurvenform und
die Amplitude der Ausgan,-sspannung ändern.
Sind beide Spulen .1.
und 5 gleichmäßig belastet, so ergibt sich ein fast gleichbleibender Primärstrom
über einen Winkelbereich von etwa 6o° Verstellung des Ankers .des Drehtransformators
aus seiner Nulllage, wie die obere Kurve der Fig. 2 erkennen läßt. Innerhalb desselben
Winkelbereiches steigt die Ausgangsspannung der Spule .I nahezu geradlinig von Null
aus an, während die Ausgangsspannung der Spule 5 in diesem Winkelbereich bei o°
am größten ist und bei 9o° .bis auf Null abfällt. Die Ausgangsspannung der Spule
5 würde also in der Fig. 2 gegenüber der Aus.gangsspaiinung der Spule 4. um 9o°
versetzt sein und gleichsam als Spiegelbild letzterer erscheinen. Die Abnahme der
Spannung ist hierbei für die Spule .4 an dem Widerstand 6 erfolgt.
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In der Fig. 3 ist senkrecht zu der Wicklung i auf dem Primärteil noch
eine Spule 8 vorgesehen, die in Reihe mit einer der beiden Feldspulen, z. B. 5,
liegt, d. h. über diese Spule kurzgeschlossen ist. Die Ausgangsspannung der Feldspule.
ist dann der Spannung des @Vechselstromnetzes 2 oder einem Teil derselben in der
Wicklung i des Primärteils additiv überlagert.
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Sind auch hierbei die beiden Spulen d. und 5 wieder gleichmäßig belastet,
so ergibt sich ein genau gleichbleibender Primärstrom über einen Winkelbereich von
9o° Verstellung des Ankers des Drehtransformators aus seiner Nullage, wie die in
der Fig.4 eingezeichnete Kurve erkennen läßt, Innerhalb desselben Arbeitsbereiches
steigt die an dem Widerstand 7 gemessene Ausgangsspannung geradlinig von Null aus
an.
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Es ist bereits gesagt worden, daß mehrere Drehtransformatoren in Kaskadenschaltung
zur Durchführung einer Rechenoperation. vereinigt werden können. In der Fig. 5 ist
als Beispiel die MultipliIcation mehrerer Faktoren angegeben. Sollen z. B. die drei
veränderlichen Faktoren a, b und sin a miteinander multipliziert "ver.den,
so werden drei Drehtransformatoren 9, 1o und ii in Kaskade geschaltet. Die beiden
Drehtransformatoren 9 und io sind dabei so geschaltet, wie dies aus der Fig.3 ersichtlich
ist, während für den Drehtransformator m ein einfacherer Aufbau genügt. Der Drehtransformator
i i braucht nämlich auf dem Sekundärteil nur die zwei senkrecht zueinander stehenden
Feldspulen d. und 5 und auf dem Primärteil die Erregerwicklung i und die senkrecht
dazu angeordnete und gestrichelt eingezeichnete Kurzschlußwicklung 8 aufzuweisen.
Der drehbewegliche Teil des aus dem Wechselstromnetz. 2 erregten Drehtransformators
9 wird entsprechend dem Faktor a mit Hilfe eines Handrades 12 verdreht und der eingestellte
Wert g - eg gebenenfalls an einem Instrument 13 abgelesen. b Die Ausgangsspannung
des Drehtransformators 9 dient zur Erregung. des Drehtransformators io, dessen drehbeweglicher
Teil mit Hilfe eines Handrades 14 ,entsprechend .dem Faktor b verdreht wird, der
ebenfalls an einem Instrument 15 ablesbar ist. Die Ausgangsspannung des Drehtransformators
io dient zur Erregung des weiteren Drehtransformators i i, dessen drehbeweglicher
Teil mit Hilfe eines Handrades 16 entsprechend dem Faktor a verdreht wird, der an
einem Instrument 17 ablesbar ist. Das Ergebnis der Multiplikation a - b -
sin a kann an einem Instrument 18 abgelesen oder auch als Spannung unmittelbar
weitergeleitet werden. Die Einstellung der Faktoren a, b und a braucht nicht durch
Handräder vorgenommen zu werden, sondern kann auch selbsttätig erfolgen.
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Soll mit Hilfe der Drehtransformatoren 9, io, i i nur das Ergebnis
von a - b - sin a ermittelt werden, so genügt es, wenn bei dem Drehtransformator
i i nur die Spule q., die ja eine sich sinusförmig ändernde Ausgangsspannung liefert,
und die Kurzschlußspule 8 vorhanden sind. Die Feldspule 5 braucht in diesem Fall
überhaupt nicht vorhanden zu sein, oder aber sie bleibt offen. Anstatt die Kurzschlußspule
8 vorzusehen, kann die Feldspule 5 auch mit einem entsprechenden Widerstand abgeschlossen
werden.
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Wenn mit Hilfe der gleichen Drehtransformatoren 9, io und i i nur
das Ergebnis von a- - b - cos a ermittelt werden soll, braucht die Feldspule
.I nicht vorhanden zu sein, oder aber sie bleibt offen. Die Wicklung 5 liefert dabei.
eine sich kosinusförmig ändernde Ausgangsspannung. Auch in diesem Fall kann an die
Stelle der Kurzschlußspule 8 der Abschluß der Feldspule d. durch einen entsprechenden
Widerstand treten. Es muß hierbei an die Spule 5 nur noch ein nicht mit dargestelltes
Anzeigeinstrument angeschlossen werden, und zwar in der gleichen Weise, wie dies
hinsichtlich des Instrumentes 18 an die Spule d. geschehen ist.
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In der Fig. 5 ist noch ein weiterer Drehtransformator i9 m.it dargestellt,
der ebenfalls einen .der Fig.3 entsprechenden Aufbau aufweist. Die sich kosinusförmig
ändernde Ausgangsspannung der Spule 5 des Drehtransformators i i dient zur Erregung
dieses Drehtransformators i9, dessen drehbeweglicher Teil mit Hilfe eines Handrades
20 entsprechend dem Faktor la verdreht wird, der gegebenenfalls an einem Instrument
21 ablesbar ist. Das Instrument 22 zeigt dann das Ergebnis von a-b#h#cosaan.
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Werden beide beschriebenen Multiplikationen gleichzeitig durchgeführt,
so braucht die Kurzschlußspule 8 nicht vorhanden zu sein. Die Zahl der miteinander
zu multiplizierenden Faktoren kann beliebig sein.
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In der Fig. 6 sind vier entsprechend der Fig. 3 aufgebaute Drehtransformatoren
23, 2q., 2,5 und 26 in Kaskade geschaltet, deren erster, 23, aus dein Wechselstromnetz
2 erregt wird. Die drehbaren Teile aller dieser Drehfransformatoren werden mit Hilfe
eines Handrades 27 entsprechend dem an einem Instrument 28 ablesbaren Wert a gleichsinnig
eingestellt. Die Ausgangsspannung des Drehtransformators 26 erzeugt dann an einem
Instrument 29 einen Ausschlag, dessen Größe in dem gewählten Beispiel dem Wert a4
entspricht. Entsprechend einer Zahl n von in Kaskade geschalteten Drehtransformatoren
entspricht der an dem Instrument 29 erhaltene Ausschlag der si.-teii Potenz. des
Einstellwertes.
Werden umgekehrt die drehbaren Teile der Drehtransformatoren
23 bis 26 mit Hilfe des Handrades 27 so lange verstellt, bis sich am Instrument
29 ein gewünschter Einstellwert b ergibt, so ist am Instrument 28 ein Wert ablesbar,
der der
entspricht.
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Die Fig. 7 zeigt die Division zweier Werte. Aus dem Netz 2 wird ein
Drehtransformator 30 erregt, der mit einem weiteren Drehtransformator
31 in .Reihe geschaltet ist. Beide Drehtransformatoren sind entsprechend
der Fig. 3 ausgeführt. Wind. nun der drehbare Teil des Drehtransformators 3 i mittels
eines Handrades 32 entsprechend dem Nenner eines Bruches, der den Wert b darstellen
möge und an einem Instrument 33 ablesbar ist, eingestellt, und erfolgt weiterhin
mittels eines Handrades 34 die Einstellung des drehbaren .Teils des Drehtransformators
30 so, daß die der Ausgangsspannung dc-s Drehtransformators 31 zugeordnete
Anzeige eines Instrumentes 35 dem Zähler eines Bruches, z. B. a entspricht, so zeigt
ein mit dem Handrad 35 in mechanischer Antriebsverbindung stehendes Instrument 36
den Wert des Bruches
an.
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Ein weiteres Anwendungsbeispiel für das Rechnen mit Hilfe von nach
der Fig.3 aufgebauten Drehtransformatoren läßt die Fig. 8 erkennen. Aus dem Netz
2 wird ein Drehtransformator 37 erregt, dessen .drehbeweglicher Teil mittels eines
Handrades 38 entsprechend dem Wert a eingestellt wird. Mit der Ausgangsspannung
des Drehtransformators 37 werden die beiden Drehtransformatoren 39 und 41 erregt.
Der drehbewegliche Teil des Drehtransformators 39 ist mittels eines Handrades 4o
entsprechend dem Wert b und der drehbewegliche Teil des Drehtransformators 41 mittels
eines Handrades 42, entsprechend dem Wert c einstellbar. Die Ausgangsspannungen
der Drehtransformatoren 39 und 41 sind in Reihe geschaltet und dienen zur
Erregung des Drehtransformators 43. Am Eingang des letzteren steht daher eine Spannung
zur Verfügung, .die beim dargestellten Beispiel dem Wert a b -F- a
c
verhältig ist. Wird ein Eingangs- oder ein Ausgangsklemmenpaar derDrehtransformatoren
3g und 4.1 umgeklemmt, so steht am Eingang des Drehtransformators. 43 eine Spannung
zur Verfügung, die dem Wert d b - a c verhältig ist. Der drehbewegliche
Teil des Drehtransformators 43 kann mittels eines Handrades 44 entsprechend einem
Wert d eingestellt werden. Ein Instrument 45 zeigt dann den Wert d (a
b -1- ca c) bzw. d (a b - a. c) an.
Die Zahl .der additiv
wirkenden Drehtransformatoren ist dabei nicht auf zwei beschränkt; ebenso können
noch weitere multiplikative Glieder vorgesehen werden.