DE1638018A1

DE1638018A1 - Distanzschutzrelais

Info

Publication number: DE1638018A1
Application number: DE19681638018
Authority: DE
Inventors: Humpage William Derek; Selliah Manickavasagar
Original assignee: English Electric Co Ltd
Current assignee: English Electric Co Ltd
Priority date: 1967-01-20
Filing date: 1968-01-19
Publication date: 1971-06-03
Also published as: GB1170684A; US3524200A

Description

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. CURT WALLACH DIPL.-ING. GÜNTHER KOCH 1638018 DR. TINO HAIBACH

8 München 2,19. Januar 1968 111$9 - K/vM

The English Electric Company Limited, London, England.

Distanzschutzrelais

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Relais und insbesondere aber nicht ausschließlich auf elektrische Distanzschutzrelais zum Schutz einer Übertragungsleitung.

Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Schutzrelais mit einem Komparator, der die Phasenbeziehung zwischen zwei ihm zugeführten Wechseleingangssignalen vergleicht und einen Ausgang liefert, der von diesem Vergleich abhängig ist, wobei der Komparator einen Koinzidenzdetektor aufweist und Impulse liefert, von denen jeder eine Dauer hat, die von der Periode bestimmt wird,

der

während/der Sinn der entsprechenden Signale in vorbestimmter Beziehung miteinander gleich ist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetkreis mit einem Kern vorgesehen ist, der durch die Impulse in einem Ausmaß magnetisiert wird, das von der Dauer der Impulse abhängt und der aufeinanderfolgend um einen vorbestimmten Betrag zurückgestellt wird,und daß der Kreis einen Ausgang nur gemäß Impulsen von einer Dauer liefert, die eine Sättigung des Kerns bewirken, wodurch der Ausgang die Phasenversetzung zwischen den Signalen anzeigt, die innerhalb vorbestiir · ter Grenzen liegen. 100823/0272

Der Koinzidenzdetektor liefert vorzugsweise Impulse in jenem Zeitabschnitt, in dem der Richtungssinn der entsprechenden Signalverläufe beide positiv sind und für jene Zeitdauer, in der sie beide negativ sind. Die Eingangssignale können zweckmäßigerweise in amplituden-begrenzte Rechteckwellen bei Anwendung bei diesem Detektor umgewandelt werden. Außerdem kann der Detektor zwei Gruppen von diesen Impulsen liefern entsprechend der Summe der ämplituden-begrenzten Wellen bzw. der Differenz dazwischen und unter diesen Bedingungen kann der Magnetkreis zwei Kerne, wie beschrieben, aufweisen, die getrennt auf diese beiden Impulsgruppen ansprechen.

Jeder Kern kann durch seine Eingangsimpulse in dem einen Sinne magnetisiert werden und er kann um einen vorbestimmten Betrag durch den folgenden Eingangsimpuls, der einen anderen Richtungssinn aufweist, zurückgestellt werden, Dabei kann die Anordnung derart getroffen werden, daß der Kern gerade in dem einen oder anderen Sinn gesättigt wird, wenn der Eingangsimpuls eine Dauer ^Mt^lf hat, die einer Phasenversetzung zwischen den Signalen entspricht, welche den einen oder anderen Grenzwert bildet. Demgemäß werden Ausgangsimpulse nur erzeugt, wenn die Phasenversetzung der Signale innerhalb dieser Grenzen liegt und die Dauer dieser Impulse entspricht der Differenz zwischen der tatsächlichen Phasenversetzung und der bei diesen Grenzen herrschenden Phasenverschiebung. Es kann eine Integratorstufe vorgesehen werden, um diese AusgangsImpulse zu summieren und eine Schutzfunktion auszuüben, wenn die Summe einen vorbestimmten Wert annimmt, so daß die Geschwindigkeit des Ansprechens des Relais direkt abhängig

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ist von der Größe der Abweichung der Signale von ihrer Grenzphasenbeziehung.

Stattdessen kann jeder Kern bei einem Pegel sättigbar sein, der höher liegt als der erwähnte und er kann durch seinen Eingangsimpuls in dem einen Sinne magnetisiert werden und durch eine Vorspannstufe zurückgestellt werden, wobei der vorbestimmte Betrag, um den der Kern zurückgestellt wird, nicht ausreicht, um eine völlige Rückstellung dieses Kerns mit Eingangsimpulsen zu bewirken, deren Dauer den Betrag "t" überschreitet. So wird der Kern progressiv auf seinen Sättigungspegel durch aufeinanderfolgende Eingangsimpulse gebracht, die diese letztgenannte Dauer überschreiten, wodurch die Integrationsfunktion durchgeführt wird, ohne daß es nötig wäre, eine getrennte Stufe vorzusehen.

Gemäß einer weiteren Abwandlung kann die Funktion der Vorspannstufe dadurch bewirkt werden, daß Rückstellimpulse von der Eingangswellenform abgeleitet und den Kernen zugeführt werden.

Der Koinzidenzdetektor kann zweckmäßigerweise aus einer Anordnung aus Magnetkernen bestehen, deren Wicklungen im Gegentakt geschaltet oder stattdessen kann ein aus Dioden zusammengesetztes System Anwendung finden.

Außerdem besteht eine speziell nützliche Anordnung darin, zwei Doppelweggleichrichter zu benutzen, um die beiden Impulsgruppen zu empfangen, die der Summe bzw. Differenz der amplituden-begrenz-

< ι ■

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ten Eingangssignale entsprechen. In diesem Fall braucht nur ein einziger Kern im Magnetkreis benutzt zu werden, der die Doppelfunk tion der"Impulsbreitenfeststellung und der Integration durchführen

kann, da die Richtung dieser Gleichrichter relativ zu den Kernist
windungen so SfcfeSO* d&ß sowohl die positiven als auch die negativen

Impulse den Kern in der gleichen Weise magnetisieren.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gleichrichterbrücken-Phasenkomparator als Detektor benutzt, da hierdurch in einer Richtung verlaufende Impulse sowohl für positive als auch negative Koinzidenzperioden erhalten werden und wiederum nur ein Kern in dem erwähnten Magnetkreis vorgesehen zu werden braucht. Der gesamte Komparator kann demgemäß nur Diodenwiderstände und Magnetkerne mit geeigneten Wicklungen aufweisen und es ist keine Leistungszuführung erforderlich, obgleich, falls erforderlich, eine aktive Verstärkungsstufe eingebaut werden kann. Demgemäß ergibt sich eine bemerkenswert einfache, wirksame und betriebssichere Anordnung mit einer nur geringen Zahl von Schaltungselementen.

Ein gemäß der Erfindung ausgeführtes Relais kann vorzugsweise als Schutzrelais,'z.B. als Distanzrelais, Anwendung finden, wobei die Signale S, und S₂ Bedingungen in einem Abschnitt in einer zu schützenden übertragungsleitung wiedergeben und der Komparatorausgang kann benutzt werden, um einen Thyristor od.dgl. zu zünden, um einen Schutzleistungsschalter auszulösen.

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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt eines solchen Distanzschutzrelais anhand der Zeichnung beschrieben.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Phasenkamparators in einem Relais gemäß der Erfindung,

Fig. 2(a) bis 2(c) ein Diagramm mit Kurven, die das Prinzip der Erfindung erkennen lassen,

Fig. 5 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Phasenkomparators,

Fig. 4(a) bis 4(f) Wellenformen, die an verschiedenen Stellen des Komparators nach Fig.3 auftreten,

Fig. 5 eine Hystereseschleife eines der Kerne, die in dem Magnetkreis benutzt werden und eine Impulsbreitenfeststellung in diesem Komparator liefern,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform eines Phasenkomparators, bei welchem die Impulsbreitenfeststellung und Integration in einer Stufe durchgeführt wird,

Fig. 7 eine Hystereseschleife eines der Kerne, die in der zuletzt genannten Stufe unter Bedingungen benutzt werden, die zu einer Sättigung führen,

Fig. 8 eine andere Form eines Phasenkomparators,der im Prinzip gleich jenem nach Fig.β arbeitet,

Fig. 9(ä) bis 9(d) Wellenformen, die an verschiedenen Stellen des in Fig.8 dargestellten Komparators auftreten,

Fig.10 eine andere Ausführungsform eines Komparators, der den Inverter-Transformator überflüssig macht, welcher bei der Ausführungsform nach Fig.8 erforderlich war,

Fig.11 eine andere Ausführungsform eines Komparators, bei dem nur ein Kern zur Impulsbreitenfeststillung und Integration erforderlich ist. y
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Fig.12 eine aktive Eingangsstufe des Koinzidenzdetektors, Fig.13 eine Abwandlung des in Fig.11 dargestellten Komparators

mit einer aktiven Verstärker- und Schaltstufe, Fig.l^ einen Gleichrichterbrücken-Phasenkomparator, der stattdessen

zur Feststellung der Koinzidenz benutzt werden kann, Fig.l5(a) und 15(b) Eingangswellenformen an dieser Brücke und

von ihr gelieferte Ausgangswellenformen, Fig.l6 einen Diodendetektor,der zur Feststellung der Koinzidenz der Eingangssignale benutzbar ist.

Im folgenden wird zunächst, auf Fig.l der Zeichnung bezuggenommen. Hier ist die Grundform des in einem Distanzrelais benutzten Komparators dargestellt. Dieser weist einen Koinzidenzdetektor 1 auf, dem zwei Eingangssignale S, und Sp zugeführt werden und außerdem ist ein Impulsbreitendetektor 2 vorgesehen, der-während jenes Intervalls einen Ausgang liefert, während dem die Eingangssignale S, und S₂ während mehr als einer vorbestimmten Zeitdauer zusammenfallen; außerdem ist ein Integrator j5 vorgesehen, um dieses Ausgangssignal zu integrieren und die Schutzwirkung des Relais in einer Verzögerung einzuleiten, die umgekehrt proportional der Zeitdauer diesäs Signales ist.

In den Fig. 2(a) bis 2(c) ist das Prinzip der Arbeitsweise des Komparators deutlicher veranschaulicht.

In Fig.2(a) stellen zwei sinusförmige Signale S₁ und S₂ die auf einem zu schützenden Leitungsabschnitt herrschenden Bedingungen dar. Diese Signale sind gegeneinander phasenversetzt. Diese

109823/0272 · '^f'

Signale können. Spannung V,- und Strom I_L der Leitung über die folgende Beziehung darstellen:

^VB ^{+ 2}Rl¹L ^Θ1

^S2 - ^K2 cC2 ^VL ^{+ 2}R₂ ¹L ^Θ1 " ⁶L

Dabei ist K oQ ein Spannungskoeffizient, der bei der Spannungstransformation von Primärsystem (Leitungssystem). auftritt und Z_R 9 ist die die Übertragungsimpedanz, die bei Stromtransformation von dem Primärsystem auftritt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel eilt S₁ dem Signal Sp um 80° vor und es soll angenommen werden, daß die Winkelbegrenzung bis zur Einleitung der Schutzfunktion durch das Relais, d.h. die Ableitung des Auslösesignals für einen Leistungsschalter dann erfolgt, wenn die Phasenversetzung zwischen den Signalen S₁ und Sp zwischen + 90° liegt. Unter diesen Bedingungen liegen dann die Winkel,über denen die beiden Signale koinzident sein müssen, um ein Auslösesignal zu erzeugen, d.h. indem beide eine positive oder beide eine negative Polarität haben,, zwischen 90° und l80°.

In Fig. 2(b) sind die Signale dargestellt, die von dem Koinzidenzdetektor 1 gemäß den beiden Eingangssignalen zu S₁ und S₂ geliefert werden, woraus ersichtlich ist, daß die Koinzidenz über 100° sowohl in den positiven als auch in den negativen Halbwellen existiert.

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In Ausdrücken einer 50 Hz-Arbeitsfrequenz beträgt die Dauer der Koinzidenz 50/9 Millisekunden und da diese Periode die 5 Milli-Sekundenbegrenzungsperiode (90°) überschreitet, würde das Relais ausgelöst.

Die Unterscheidung zwischen Aus'lösebedingungen und Nichtauslösebedingungen wird durch den Impulsbreitendetektor 2 vorgenommen und in Fig.2 (c) ist ersichtlich, daß ein Ausgang von dieser Stufe nur erzeugt wird, wenn die beiden Signale während einer Dauer koinzident sind, die diese Grenzperiode,des heißt 50/9 Millisekunden überschreitet.

Der Integrator 3 summiert dann die Aus gangs impulse, die von dem Detektor geliefert werden und sowohl die positiven als auch die negativen Impulse werden kumulativ zusammengezählt und erzeugen ein Auslösesignal, wenn dieser summierte Ausgang eine vorbestimmte Größe angenommen hat.

Es ist klar, daß,wenn das Relais innere Fehler in der Nähe der Grenze der Schutzcharakteristik erreicht, die Dauer der Ausgangsimpulse des Detektors sehr kurz sein wird und demgemäß wird die Erzeugung eines Auslösesignals verzögert, während bei nahen Fehlern die Dauer der Ausgangsimpulse sehr viel länger sein wird und das Signal wird fast augenblicklich erzeugt.

In dieser

Im folgenden wird auf Fig.3 bezuggenommen. XxJc ist eine Ausführungsform eines Komparators gemäß der Erfindung dargestellt. Die

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sinusförmigen Eingangssignale S, und Sp sind amplituden-begrenzt durch im Gegentakt geschaltete Dioden 5*6 und die Eingangssignale werden als im wesentlichen rechteckige Signale Ringkernen 7*8 mit quadratischer Schleife zugeführt. Jeder dieser Kerne besitzt eine Eingangswicklung 9 und zwei Ausgangswicklungen 10,11, die im Gegensinn gewickelt sind. Die Ausgangswicklungen beider Kerne sind miteinander in Reihe geschaltet und die Ausgangswicklungen sind außerdem miteinander verbunden. Diese beiden Kerne 7 und 8 bilden zusammen einen im Gegentakt geschalteten Koinzidenzdetektor und ihre Ausgänge werfden dem Impulsbreiten-Detektor zugeführt, der von zwei Kernen mit Einzelwicklung gebildet wird, denen der Ausgang der Wicklungen 10 bzw. 11 zugeführt wird und die mit Lastwiderständen 14,15 ausgestattet sind. Schließlich wird der gesamte, über diesen Widerständen auftretende Ausgang über gleichgepolte Dioden 16,17 nach dem Integrator überführt, der aus einem Kern 19 mit einer Einzelwicklung und einem Lastwiderstand besteht, an dem das Ausgangssignal abgenommen wird.

Im Betrieb begrenzen die Dioden 5,6 das Eingangssignal S, in der in Pig.K (a) beschriebenen Weise und sie begrenzen das Eingangssignal S₂ wie in Fig.4 (b? dargestellt. Die Wicklungen 10 sind so geschaltet, daß sie diese zwei Signale addieren und den in Fig. 4(c) dargestellten Ausgang erzeugen, während die Wicklungen 11 so geschaltet sind, daß diese Signale invertiert werden, so daß der resultierende Ausgang jener wird, wie er in Fig.4(d) dargestellt ist. Diese positiven und negativen Impulse werden dann den beiden Kernen 12 und 13 zugeführt und diese Kerne werden somit aufeinanderfolgend magnetisiert und entmagnetisiert.

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Bei diesem Beispiel wurde die Beziehung zwischen den Signalen S, * und Sp in der gleichen Weise gewählt wie bei Fig.2, so ckß die Perioden der positiven und negativen Impulse die 5 Millisekundengrenze überschreiten. Wie weiter unten im einzelnen erläutert, werden Ausgänge an den Widerständen 14 und 15 in Gestalt positiver und negativer Impulse abgenommen, wie aus Pig.4(e) und 4(f) ersichtlich. Die Dioden l6 und YJ lassen nur positive Impulse an die Wicklung des Kernes 19 gelangen und da diese Impulse in einer Richtung verlaufen, wird der Kern während einer Zeitdauer gesättigt, die umgekehrt proportional der Spannungs-Zeit fläche eines jeden Impulses ist. Wenn der Kern gesättigt wird, fällt die gesamte angelegte Eingangsspannung über dem Widerstand 20 in ähnlicher Weise wie oben unter Bezugnahme auf den Impulsbreiten-Detektor beschrieben ab und es wird dadurch ein Auslöseausgangssignal erzeugt. Anschließend wird der Kern zurückgestellt.

Es soll nun die Arbeitsweise des Impulsbreiten-Detektors betrachtet werden. Hierzu wird auf Fig. 5 bezuggenommen, die eine Hystereseschleife eines Magnetmaterials z.B. des Kerns 12 zeigt. Nun Isben die diesen Kern angelegten Impulse eine vorbestimmte Amplitude und demgemäß kann die Spannungs-Zeitfläche dieser Impulse für irgendeine bestimmte Breite leicht festgelegt werden. In gleicher Weise kann die Hystereseschleife des Kerns bestimmt werden und in diesem Fall ist die Anordnung derart getroffen, daß, wenn die Ausgangswellenform eine Impulsbreite von 5 Millisäomden hat, ein Ausgleichsfluß entsteht, der sich gerade von einem Sättigungswert nach dem anderen erstreckt.

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Im Betrieb wird der Kern anfänglich in seinen stabilen.Zustand "A" vorgespannt und durch Zuführung eines positiven Impulses aus der Wicklung 10 mit einer Breite von z.B. 2 Millisekunden (dies entspricht einer Phasenverschiebung von l44° zwischen S₁ und S₂) wandert der Fluß entlang dem Pfad ABCD. Der nachfolgende negative Impuls dieser Wicklungen von gleicher Breite bewirkt., daß der Pluß längs des Pfades DEFA wandert und gerade den Kern "zurückstellt". Unter dieser Bedingung fließt praktisch kein Strom durch den Lastwiderstand lA, da die in der Wicklung induzierte Spannung fast die angelegte Spannungswellenform ausgleicht und dies ist der Fall bei allen Flußübergängen innerhalb der Sättigungsgrenzen der Schleife, d.h. bei allen Impulsbreiten bis 5 Millisekunden. Wenn die Impulsbreite jedoch diese zuletzt genannte Periode Überschreitet, wird der Kern gesättigt und bei einem positiven Impuls wird der Arbeitspunkt begrenzt bei 0 sat + ve (Fig.5)i wonach die Änderungsgeschwindigkeit des Flusses stillgesetzt wird und die induzierte Spannung unmittelbar auf Null abfällt und die gesamte Eingangsspannung dann am Widerstand 14 abfällt, wodurch ein positiver Impuls mit einer Dauer ( erzeugt wird, die gleich ist der Periode, in der der angelegte Impuls 5 Millisekunden überschritt. So wird an dem Widerstand ein positiver Eingangsimpuls mit einer Breite, wie aus Fig.4(c) ersichtlich, und ein Ausgangsimpuls mit einer Breite, wie aus Fig.4(e) ersichtlich, abgenommen. Darauffolgend stellt der nächste negative Impuls den Kern auf 0 sat - ve ein, worauf ein negativer Impuls der gleichen Dauer wie der positive Impuls am Widerstand l4 abgenommen wird. So wird in allen Fällen der Kern in seine Ausgangslage zurückgestellt, nachdem positive und negative Impuls-

übergänge vorhanden waren und ein Ausgang wird nur dann erzeugt, wenn diese Impulse 5 Millisekunden in der Breite überschreiten. Gleiche Verhältnisse ergeben sich bei dem Kern 13 und seinem Lastwiderstand 15.

Pur eine korrekte Durchführung dieser Punktion ist es zweckmäßig, daß die positiven und negativen Koinzidenzperioden die gleichen sind, sonst kann der Kern zunehmend nach einem seiner Sättigungswerte hin magnetisiert werden, indem aufeinanderfolgende Impulse zugeführt werden. Bei einer symmetrischen Wellenform müssen die Koinzidenzperioden die gleichen sein, aber um jegliche Asymmetrie auszugleichen, die zu den erwähnten Polgen führen könnte, können die Ausgänge der Wicklungen 10 und 11 in einer Gegentaktstufe kombiniert werden, bevor sie dem Impulsbreiten-Detektor zugeführt werden.

Die in Pig.3 dargestellte Basisschaltung kann jedoch zweckmäßigerweise abgewandelt werden, um die gleiche Betriebsart zu erlangen, wobei gleichzeitig der Integrator in den Impulsbreiten-Detektor eingebaut ist, so daß eine spezielle Integrationsstufe überflüssig wird.

In Fig.6 ist eine solche Schaltung dargestellt. Die mit den Bezugszeichen 5 und 11 bezeichneten Schaltungselemente sind die gleichen wie die in Fig.3 dargestellten Schaltungselemente. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt der integrierende Impulsbreiten-Detektor zwei Kerne mit zwei Wicklungen 24,25 bzw. 26,27. Den

Wicklungen 24 und 26 werden nur positive Eingangsimpulse über die Dioden 28,29 zugeführt und arbeiten auf einen gemeinsamen Lastwiderstand 31t an dem eine positive Auslöseausgangsgröße abgenommen werden kann. Die Wicklung 25 ist an eine GleichstromrückstelL· stufe angeschlossen, die aus einer Batterie 33 und einem Begrenzungswiderstand 34 besteht und an die Wicklung 27 ist eine ähnliche Batterie 35 und ein Widerstand 36 angeschaltet.

Bei dieser Ausführungsform wird die Gleichstromrückstellstufe für jeden Kern so gewählt, daß der Kern vollständig zurückgestellt wird, wenn der zugeführte Eingangsimpuls eine Breite von nicht mehr als 5 Millisekunden hat. Außerdem wird wiederum die Hystereseschleife so gewählt, daß die Breite des Impulses,der für einen Flußübergang von einem Sättigungswert auf einen anderen erforderlich ist, z.B. 7,5 Millisekunden ist (dies entspricht einer Phasenverschiebung von 45° zwischen S, Und Sp), wobei die Differenz 7*5 - 5 = 2,5 Millisekunden zweckmäßigerweise äquivalent der Impulsbreite ist, die erforderlich ist, um eine Sättigung des Integratorkerns 19 in der einen Richtung zu bewirken, wie vorstehend unter Bezugnahme auf Fig.3 beschrieben wurde.

Die Arbeitsweise des integrierenden Impulsbreiten-Detektors kann am besten unter Bezugnahme auf Fig.7 erläutert werden, worin die Hystereseschleife z.B. des Kerns 22 dargestellt ist. Bei einem positiven Eingangsimpuls von 5 Millisekunden Dauer wandert der Fluß längs des Pfades ABCD entlang und die Größe dieses Impulses überwindet die Rückstellwirkung der Gleichstromvorspannung aus

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der Batterie 55 und nachdem dieser Impuls aufhört, reicht die verbleibende Periode (15 Millisekunden) aus, daß die Batterievorspannung den Fluß längs des Pfades DEPA umkehren und den Kern voll zurückstellen kann. Bei einem Impuls von.z.B. 5*5 Millisekunden Dauer kann der Pluß längs des Pfades ABGH laufen, worauf bei Beendigung dieses Impulses der Rückstellkreis während der verbleibenden l4,5 Millisekunden nur teilweise wirksam wird, um den Kern zurückzustellen, so daß der Pluß längs des Pfades HJKL zurückkehrt. ^öo bewirkt der folgende positive Impuls, daß der Pluß längs W des Pfades LMNO verläuft, wobei eine Rückstellung längs des Pfades OPQR bewirkt wird und der nächste Impuls den Kern in den Sättigungszustand (positiv) überführt, worauf ein Ausgang an dem Widerstand Jl abgenommen wird.

Die gleichen Betrachtungen treffen für den Kern 25 zu und die positiven Eingangsimpulse dieses Kerns werden dann gegenüber jenen, die dem Kern 22 zugeführt werden, um 180° phasenversetzt.

fe Dieser integrierende Impulsbreiten-Detektor kann so abgewandelt werden, daß eine automatische Vorspannung für den Rückstellkreis bewirkt wird, wodurch es möglich wird, die Batterie wegfallen zu lassen und eine typische Schaltung dieser Art ist in Fig.8 dargestellt.

Im folgenden wird auf die Fig.8 bezuggenommen. Die Verbindungen der Schaltelemente, die mit 5 bis 10 bezeichnet sind, sind die gleichen wie jene nach Fig.5 und 6, jedoch ist im Gegensatz zu den Wicklungen 11 gemäß Fig.5 bis 6 die dritte Gruppe von

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Wicklungen 38, die den Kernen 7 und 8 zugeordnet ist, im entgegengesetzten Sinn gewickelt. Der Ausgang der Wicklungen 10 wird den Erregerwicklungen 39>40 auf zwei Kernen 41,42 über zwei im Gegensinn gepolte Dioden 43 bzw.44 zugeführt und der Ausgang der Wicklungen 38 wird in ähnlicher Weise einer Rückstellwicklung 46,47 auf diesen Kernen über zwei im Gegentakt geschaltete Dioden 48 bzw.49 zugeführt. Ein Lastwiderstand 50 ist an die Wicklungen 4o und 47 angeschlossen, die dem Kern 42 zugeordnet sind und ein Lastwiderstand 51 ist mit den Wicklungen 59*46 verbunden, die dem Kern 4l zugeordnet sind. Der Ausgang über dem zuletzt genannten Widerstand wird durch einen 1:1 Transformator 53 in der Phase umgekehrt, um diesem Ausgang eine gleiche positive Polarität zu verleihen, wie jenem Ausgang der an dem Widerstand 50 auftritt.

Bei der Beschreibung der Arbeitsweise dieser Schaltung wird auf die Wellenformen nach Fig.9(a) bis 9(d) bezuggenommen. Die Fig.9(a) fceigt das amplituden-begrenzte Eingangssignal S₁ und Fig.9(b) zeigt das amplitudenbegrenzte Signal S₂ und ( die Phasenbeziehung zwischen diesen Signalen ist die gleiche wie in den Pig.4(a) und 4(b), Pig.9(c) zeigt den Ausgang über der Wicklung 10, d.h. die Summe dieser Wellenformen und Pig. 9(d) zeigt den Ausgang über den Wicklungen 38* d.h. die Differenz dieser Wellenformen.

Der positive Impuls (Fig.9(c)) der Breite von 50/9 Millisekunden wird über die Diode 44 der Erregerwicklung 40 zugeführt

iind der negative Impuls für die gleiche Breite wird über die Diode 43 der Erregerwicklung 39 zugeführt. In gleicher Weise wird der negative Impuls (Pig.9(d)) der Breite 4o/9 Millisekunden über die Diode 49 der Rückstellwicklung 47 zugeführt und der positive Impuls der gleichen Breite wird über die Diode 48 der Rückstellwicklung 46 zugeführt. So ist die Spannungs-Zeitfläche der Erregerimpulse größer als die Spannungszeitfläche der Rückstellimpulse und die Kerne 4l und 42 werden zunehmend in den Sättigungszustand in gleicher Weise wie unter Bezugnahme auf Fig.7 in Abhängigkeit von der Größe der Differenz zwischen Erregerimpuls und Rückstellimpuls aufgeladen. Insbesondere wird der Kern 42 in den positiven Sättigungszustand unter den gegebenen Bedingungen überführt, so daß ein positiver Ausgang über dem Widerstand 50 abgenommen wird und der Kern 4l wird in den negativen Sättigungszustand überführt, so daß ein negativer Ausgang über dem Widerstand 51 auftritt und dieser Ausgang wird durch den Transformator 53 umgekehrt .

Dieser Transformator kann wegfallen, wenn die etwas abgewandelte Schaltung gemäß Fig.10 benutzt wird, in der nur positive Antriebsbzw. Erregerimpulse und negative Rückstellimpulse von den Wicklungen 10 bzw. 38 dem Kern 42 zugeführt werden, wobei die Wicklungen 11 und. eine weitere Wicklung 55 über die Dioden 56,57 mit der Erregerwicklung 58 und der Rückstellwicklung 59 eines anderen Kerns 60 verbunden sind. Ein gemeinsamer Lastwiderstand 62 ist an die Wicklungen dieser beiden Kerne 42 und 60 angeschaltet.

Die über den Wicklungen 10 und ?8 auftretenden Impulse sind, wie in Fig.9(c) und 9(d) dargestellt, und die Impulse über der Wiok-

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lung 11 sind invers zu Pig.9(c), d.h. wie in Pig.4 (d) dargestellt. Die Impulse an der Wicklung 55 sind invers zu Jenen nach Pig.9(d). So ist die Arbeitsweise in Bezug auf den Kern 42 die gleiche wie oben unter Bezugnahme auf Pig.8 beschrieben und dieser Kern wird in den positiven Sättigungszustand überführt, aber in diesem Pail wird der Kern 60 ebenfalls in den positiven Sättigungszustand unter den beschriebenen Bedingungen überführt,da die positiven Erregerimpulse der Breite 50/9-5 Millisekunden (Fig.4(d)) eine größere Spannungs-Zeitfläche besitzen als die negativen Rückstellimpulse der Breite 4o/9 Millisekunden.

Demgemäß ist der Auslöseimpuls am Ausgangswiderstand immer positiver Polarität.

Eine weitere Abwandlung ist in Pig.Il dargestellt, wobei der Koinzidenzdefcektorkreis der gleiche wie in Fig»8 ist, wobei Jedoch die Impulse, die an den Wicklungen 10 und 38 auftreten, nunmehr über Zweiweggleichrichterbrücken 63 bzw. 64 dem integrierenden Impulsbreiten-Detektor zugeführt werden. Durch Benutzung dieser \ Gleichrichter 6j,64 erregen sowohl die positiven als auch die negativen Impulse (Pig.9(c)) die Wicklung 4o in einem Sinne, der den Kern 42 in den Sättigungszustand zu überführen sucht und sowohl die positiven als auch die negativen Impulse (Pig.9(d)) erregen die Wicklung 47 in einem Sinn, der eine Rückstellung dieses Kerns bewirkt. So wird nur ein Kern in dem integrierenden Impulsbreiten-Detektor benötigt und ein positiver Auslöseimpuls wird über dem Widerstand 50 bei gleichem zeitlichen Ansprechen wie bei dem vorherigen Ausführungsbeispielen erhalten.

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Es ist klar, daß in sämtlichen beschriebenen Schaltungen keine

in

aktive Verstärkerstufe benutzt wurde und/der Praxis kann es erwünscht sein, eine solche Stufe einzuschalten, um die Definition der Wellenform und die Empfindlichkeit der Schaltung zu erhöhen. Dies kann in Gestalt eines Gegentakttransistorverstarkers geschehen, der zwischen dem Koinzidenzdetektor und dem integrierenden Impulsbreitendetektor geschaltet ist, wobei die Transformatorkopplung in dieser Stufe entweder sättigbar ist, wobei eine Gleichstromrückstellstufe für jede Halbwelle benutzt werden kann in gleicher Weise, wie in Pig.6 , oder es kann auch die Stufe nicht sättigbar ausgebildet sein.

Stattdessen können transistorisierte Eingangs stufen benutzt werden, um die Doppelfunktion der Verstärkung der Eingangssignale S, und Sp und ihrer Umwandlung in Rechteckwellensignale zu bewirken. Derartige Eingangestufen sind in Pig.12 dargestellt und bestehen aus zwei komplementären Transistoren 66,67, die über einer bipolaren Speisequelle liegen, wobei die Transistoren Lastwicklungen 68 bzw.69 aufweisen. Diese beiden Wicklungen sind auf Kernen 7, 8 aufgewickelt, die in der Koinzidenzdetektorstufe enthalten sind, wie bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig.13 dargestellt, wobei eine Verstärkerstufe und eine Schaltstufe in den integrierenden Impulsbreiten-Detektor eingeführt sind; diese Schaltung stellt eine Abwandlung der in Pig.11 dargestellten Schaltung dar. In diesem Falle werden die komplementären Transistoren 66,67 in Abhängig«

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keit der Ausgänge zweier Doppelweggleichrichterbrüokens.chaltungen 63*64 gesteuert und ihre Emitterelektroden sind miteinander verbunden, während ihre Basiselektroden an einen gemeinsamen Widerstand angeschaltet sind und dann getrennt über Widerstände 70 mit gleichem Widerstandswert an die Gleichrichterbrücken 63,64 angeschaltet sind. Zwei Kerne 71 und 72 liegen im Kollektorkreis der Transistoren und zwei Wicklungen des Kerns 71 sind in Reihe mit Wicklungen 73 bzw. 74 des Kerns 72 verbunden und dieser Kern weist eine Ausgangswicklung 75 auf, von welcher ein Auslösesignal abgenommen wird. Wenn diese Anordnung in Betrieb befindlich ist und die Erregerimpulse von dem Brück^Seichriehter 64 die Rückstellimpulse überschreiten, wird ein den Hichtgleichgewichtszustand anzeigendes Signal an der Verbindung zwischen den Widerständen 70 und den Transistoren 66,67 erzeugt und an- und abgeschaltet in Abhängigkeit von dem Vorzeichen dieses Signals. Unter diesen Bedingungen wird der Kern 71 nach dem Sättigungszustand hin vorgespannt, indem der Transistor 67 leiitend/ aber bis die Sättigung erreicht ist, reicht, der resultierende Strom in den Wicklungen 73*74 nicht aus, um den Kern 72 zu magnetisieren, so daß keine Ausgangsgröße über der | Wicklung 75 auftritt. Bei Sättigung des Kerns 71 bewirkt jedoch die Leitfähigkeit des Transistors 67, daß ein Ausgang entsprechender Polarität für ein Auslösesignal (ein positives Signal) an der Ausgangswicklung 75 auftritt. Umgekehrt wird, wenn die Rückstell-

71 impulse die Erregerimpulse übersteigen, der Kern wiederum in den

·.' Sättigungszustand überführt, aber in diesem Falle bei Beginn der . Sättigung, und die Leitfähigkeit des Transistors 66 bewirkt einen

negativen Ausgang an der Wicklung 75, der eine Auslösung nicht '

bewirken '-^-.n.

109823/027? ./.

Obgleich fünf Wicklungen gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 auf den Kernen 7 und 8 des Koinzidenzdetektors vorgesehen sind,kann in der Praxis aus Zweckmäßigkeitsgründen mehr als ein Kern zur Anpassung dieser Wicklungen benutzt werden. Das Erfordernis von mit mehreren Wicklungen versehenen Kernen in der Eingangsstufe kann durch Anwendung eines herkömmlichen Gleichrichterbrückenphasenkomparators als Koinzidenzdetektor vermieden werden.

Ein solcher Phasenkomparator ist in Fig.l4 dargestellt. Die Eingangssignale S₁ und Sp werden den Eingangstransformatoren 76,77 zugeführt und der gleichgerichtete Ausgang wird über den Widerständen 78 und 79 mit gleichem Widerstandswert abgenommen. In Pig.l5(a) sind die beiden Signale S₁ und S₂ in der gleichen Phasenbeziehung wie unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Figuren beschrieben. Wenn diese Signale eine entgegengesetzte Polarität aufweisen, wird ein zweiter Ausgang erzeugt, während ein negativer Ausgang erzeugt wird, wenn diese Signale die gleiche Polarität haben. Insbesondere wird, wenn die Signale eine entgegengesetzte Polarität haben, die Ausgangsspannung I(S_g) · R, wenn S₁ S₂ in der Größe überschreitet und die Spannung wird 1(S₁) · R, wenn S₂ den Wert S₁ überschreitet. Dabei ist R * R(78) + R(79) und die Bedingungen sind genau die gleichen für den Fall, in^ed\e Signale die gleiche Polarität aufweisen. Der Ausgang über den Widerständen 78 und 79 wird verstärkt und begrenzt und die resultierende Wellenform ist aus Fig.15 (b) ersichtlich.

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Die "Eingangs"-Impulse sind nunmehr in einer Richtung verlaufende Impulse und ICoinzident im positiven und negativen Sinne und demgemäß können diese Impulse direkt an nur einen einzigen Kern angelegt werden, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Pig. 11, um eine Integration und Impulsbreiten-Peststellung durchzuführen. Die Signalbeziehung,die in den Pig.l5(a) und 15(b) dargestellt ist, ergibt einen Auslöseausgang in der gleichen Weise wie unter Bezugnahme auf Big.6 bis 10 beschrieben, da die Dauer des Erregerimpulses die Dauer des Rückstellimpulses übersteigt.

Eine andere Form eines Koinzidenzdetektors , bei dem keine Kerne erforderlich sind, ist ein Diodendetektor und eine Ausführungsform einer solchen Schaltung ist in Fig.16 dargestellt, Im einzelnen zeigt Fig.l6 einen Diodendetektor mit gleichen Spannungsquellen (V + ve und V ~ ve), die an einem gemeinsamen Punkt (Erde) über eine aus Widerstand 80 und Diode 8l bestehende Reihenschaltung bzw. eine Reihenschaltung, bestehend aus Widers band 82 und Diode angeschlossen sind, Die Signale S^ und S₂ werden an die Diode 8l über gleichgepolbe Dioden 84,85 bzw. über Dioden 83 über gleichge- λ polte Dioden 86,87 angelegt. Irgendein positiver Ausgang wird in einem Lastwidersband 88 abgenommen, der an die Diode 8l geschaltet 1st und jeglicher negativer Ausgang wird an einem Lastwiderstand

.. abgenommen

89 jesogabegfc, der mit der Diode 83 verbunden ist.

Im Betrieb nimmt, wenn eines der Signale S, und Sp negativ und das andere positiv wird, das Potential an der Verbindung der Widerstände 80 und 88 den negativen VJert an, die Diode 8l leitet und der Strom durch ihren Parallelwidastand 88 ist im wesentlichen Null.

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Außerdem nimmt das Potential an der Verbindung der Widerstände und 89 den positiven Wert an, die Diode 83 leitet und der Strom durch den Parallelvriderstand 89 wird im wesentlichen Null.

Wenn beide Signale S, und Sp positiv sind, dann bleibt der Strom durch den Widerstand 89 der gleiche, aber weil die Dioden 84 und 85 nunmehr in Gegenrichtung vorgespannt sind, hört die Diode 8l auf, leitfähig zu sein und der Strom durch den Widerstand 88 nimmt einen Wert an, der durch die Speisespannung und die Werte dieser Widerstände 80 und 88 bestimmt wird. Dieser hohe Stromwert wird für die Zeitdauer aufrechterhalten, in der die Signale S-, und Sp beide positiv sind, d.h. für eine Periode der Koinzidenz. Andererseits wird, wenn die beiden Signale negativ werden, der Strom durch den Widerstand 88 im wesentlichen Hull, da aber die Dioden 86 und 87 nunmehr in umgekehrter Richtung vorgespannt sind, steigt der Stromfluß durch den Widerstand 89 während der Zeitdauer der negativen Koinzidenz zwischen den ijignalen an. So können die Ausgangsimpulse, die eine positive bzw. negative Koinzidenz darstellen, benutzt werden, um den Impulsbreiten-Detektor in der gleichen Weise zu aktivieren, wie dies vorstehend unter Bezugnahme auf die vorhergehenden Ausführungsbeispiele beschrieben wurde.

Patentansprüche

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BAO ORIGINAL

Claims

Patentansprüche:

Elektrisches Schutzrelais mit einem Komparator, der die Phasenbeziehung zwischen zwei ihm zugeführten Wechseleingangs-Signalen vergleicht und einen Ausgang liefert, der von diesem Vergleich abhängig ist, wobei der Komparator einen Koinzidenzdetektor aufweist und Impulse liefert, von denen jeder eine Dauer hat, die von der Periode bestimmt wird, während der der Sinn der entsprechenden Signale in vorbestimmter Beziehung mitein· ander gleich ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Magnetkreis mit einem Kern (12,13; 22,23; 42 und 4 1 oder 60;71,72) vorgesehen ist, der durch die Impulse in einem Ausmaß magnetisiert wird, das von der Dauer der Impulse abhängt und der aufeinanderfolgend um einen vorbestimmten Betrag zurückgestellt wird, und daß der Kreis einen Ausgang nur gemäß Impulsen von einer Dauer liefert, die eine Sättigung des Kerns bewirken, wodurch der Ausgang die Phasenversetzung zwischen den Signalen anzeigt, die innerhalb vorbestimmter Grenzen liegen.

2. Relais nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet ,

daß die Wechseleingangssignale in Ämplituden-begrenzte Rechteckwellen umgeformt werden, um jenem Detektor zugeführt zu werden, und daß der Detektor diese Impulse während jener Zeitdauer liefert, während der der Sinn der entsprechenden Signale gleichzeitig positiv oder gleichzeitig negativ ist.

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J5. Relais nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet ,

daß der Detektor wenigstens zwei Gruppen von Impulsen liefert, die der Summe bzw. der Differenz zwischen den Eingangssignalen und/oder der Summe oder Differenz zusammen mit der inversen Summe oder inversen Differenz entsprechen.

4. Relais nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Detektor einen Magnetkern (7*8) mit zwei Primärwicklungen aufweist, um zwei Eingangssignale empfangen zu können,und daß er mehrere Gruppen von Sekundärwicklungen besitzt, die relati^ueinander und zu den Primärwicklungen so gewickelt sind, daß die Impulsgruppen in der gewünschten Polarität erhalten werden.

5. Relais nach Anspruch 3*

dadurch gekennzeichnet ,

daß der Detektor eine Diodenwiderstandsschaltung (80 - 89) aufweist, um die Koinzidenz der Eingangssignale festzustellen.

6. Relais nach den-Ansprüchen 4 oder 5»
dadurch gekennzeichnet ,

daß ein erster Doppelweggleichrichter (64) eine Gruppe der Impulse gleichrichtet und diese zur Magnetisierung des Kerns in den Magnetkreis liefert, und daß ein zweiter Doppelweggleichrichter (6£) die andere Gruppe von Impulsen gleichrichtet und diese Zurückstellung bzw. Entmagnetisierung des Kerns um den vorbestimmten Betrag liefert, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß der Kern in den Sättigungszustand überführt wird, um das

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Ausgangssignal nur dann zu erzeugen, wenn die Dauer der Impulse der einen Gruppe die Dauer der Impulse in der anderen Gruppe überschreitet.

7. Relais nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet ,

daß eine Verstärkerstufe mit einem komplementären Paar von Transistoren (66,67) vorgesehen ist, dear ein Ungleichgewichtssignal von dem ersten oder zweiten Doppelweggleichrichter zugeführt wird und die selektiv wirksam ist, um in Abhängigkeit von diesem Signal leitfähig zu werden, daß das Signal die Phasenversetzung innerhalb ader außerhalb der vorbestimmten Grenzen anzeigt, und daß der Kern (71) in dem Magnetkreis zwei Wicklungen aufweist, die mit dem Ausgang der beiden Transistoren verbunden sind, üari daß die balden VMok Lungen zusammen an einem Lastwidersband (7.V'-75) dei'äi-c angesorJ.ossen eind, do J ein Ausgang ^iim> bei Sättigung des Kerns gemäß der Leitfähigkeit nur eines der Transistoren erzeugt v/ird.

8. Relais nach den Ansprüchen 1 oder 2,
dadurch g e α e η η ζ e i e h η e t _Ό

daß der Detektor- einen Gleichrichterbrückenphasenkomparator (76?79) aufweist, um in einer Richtung verlaufende Impulse für positive Koinzidenzperioden und für negative Koinzidenzperi oden zu schaffen, wobei eine Gruppe der Impulse zur Magnetisierung des Kerns und die andere zur Entmagnetisierung des Kerns um den vorbestimmten Betrag benutzt wird, wobei die Anordnung

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derart getroffen ist, daß der Kern in den Sättigungszustand .überführt wird, um das Ausgangssignal nur dann zu erzeugen, wenn die Dauer der Impulse der einen Gruppe die Dauer der Impulse der anderen Gruppe überschreitet.

9. Relais nach den Ansprüchen 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet , daß der Magnetkreis zwei Kerne (12,13) aufweist, die Einzelwicklungen besitzen, um jeweils eine der Impulsgruppen von dem Detektor aufzunehmen, daß jeder Kern in den Sättigungszustand geführt wird, wenn die Impulse eine Dauer aufweisen, die einer Phasenversetzung entspricht, welch gleich ist den vorbestimmten Grenzwerten oder diese überschreitet, wobei die Dauer der Eingangs impulse, die hierdurch erzeugt werden, der Differenz zwischen den tatsächlichen Phasetiversebzungen der i."-iuale und der Vers,et j.·χ.:ζ ist, eiIs durch : ^-^ G/'c-a^et·. '.--1^:\ϊι.'.-ο: .-.-dreien...

10. Relais nach Anspruch 9»

aadui-ei. g 3 ic 3 η π. :·: e :'_ .: r· e '^r _s

daß ein Integrator (9) die a us gangs impulse summit? ·:·■& und eine

Schutzfunkt-ion'iiur gemäß dev Summe liefert, wenn diese einen

vorbestimmten wert angenonuisn hac,

11. Relais nach den Ansprüchen 4 oder 5?
dadurch gekennzeichnet,,

daß der Magnetkreis zwei Kerne mit Eingangswicklungen aufweist, um eine von zwei Impulsgruppen vom Detektor über Richtleiter (28,29 oder 43,44) zu empfangen, daß die Kerne durch die Eingangsimpulse magnetisiert und um den vorbestimmten Betrag

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BAD ORIGINAL

durch Vorspannmittel entmagnetisiert werden, und daß sie zunehmend in den Sättigungszustand gegen die Rückstellwirkung der Vorspannmittel überführt werden, um das Ausgangssignal zu erzeugen, wenn die Impulse ständig eine Dauer haben, die einer Phasenverschiebung entspricht, die gleich ist derjenigen, die durch die Grenzwerte bestimmt wird oder diese Überschreitet.

12* Relais nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet , daß die Vorspannmittel aus einer Hilfswicklung auf jeden Kern g

bestehen, die von einer Gleichstromquelle (53*35) gespeist wird.

IJ. Relais nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel Hilfseingangswicklungen auf den beiden Kernen aufweisen, die durch die zwei Impulsgruppen durch weitere Richtleiter (4-8,49) erregt werden,und daß die beiden Wicklungen,die jedem Kern zugeordnet sind, Impulse von verschiedenen der beiden Gruppen empfangen.

14. Relais nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet ,

daß der Detektor vier Gruppen von Sekundärwicklungen (10,11,38, • 55) aufweist, die vier Gruppen von Impulsen liefern, daß . der Magnetkreis zwei Kerne besitzt, von denen jeder zwei Eingangswicklungen hat und alle vier Wicklungen in Magnetkreis über Richtleiter (44,49,56,57) verbunden sind, um Impulse· von den vier Gruppen aufzunehmen, und daß jeder Kern durch die ' Impulse luagnetisiert wird, die einer seiner Eingangswicklungen

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aufgeprägt werden, und daß er um den vorbestimmten Betrag entmagnetisiert wird, indem Impulse seiner anderen Eingangswic&lung zugeführt werden, so daß die Kerne zunehmend in den Sättigungszustand überführt werden, um den Ausgang gemäß dem Impulsen zu erzeugen, die einer Eingangswicklung zugeführt werden und eine Dauer haben, die einer Phasenversetzung entspricht, welch?gleich ist derjenigen, die durch die Grenzwerte bestimmt 1st oder diese überschreitet.

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