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An einen Wechselstromgenerator angeschlossener elektrischer Turbinenreglerkopf zur Drehzahlregelung der Kraftmaschine Zur Drehzahlregelung von Kraftmaschinen für elektrische Stromerzeuger, z. B. bei Wasserkraftmaschinensätzen, wurden früher ausschliesslich rein mechanische Regler mit Fliehkraftpendel verwendet. Die Fliehkraftpendel wurden über Riemen mit der Kraftmaschinenwelle gekuppelt.
Da der Pendelantrieb mit Riemenübertragung Nachteile hat, ist man dazu übergegangen, das Pendel mit elektrischen Pendelmotoren zu kuppeln, die ihrerseits von einem sogenannten Pendelgenerator (Tachometergenerator) gespeist werden. Als Pendelgeneratoren werden im allgemeinen Maschinen mit Permanentmagnetpolen verwendet. Der Pendelgenerator wird mit der Hauptwelle der Kraftmaschine bzw. des Stromerzeugers gekuppelt. Diese Art des Pendelantriebes hat den Vorteil, dass der eigentliche Pendelmechanismus und damit der Regler nicht in unmittelbarer Nähe der Kraftmaschine angebracht werden muss.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Pendelmotor über Hilfstransformatoren an die Klemmen des Hauptgenerators anzuschliessen. Dabei ergibt sich der Vorteil, dass das Pendel und damit der Regler von den Schwingungen des Synchrongeneratorpol- rades gegenüber dem enstprechend der Netzfrequenz rotierenden Ständerfeld nicht beeinflusst wird, was besonders bei empfindlichen Reglern von Bedeutung ist. Derartige Polradschwingungen treten bekanntlich bei Leistungsänderungen dann mehr - oder weniger stark auf, wenn der Stromerzeuger im Parallelbetrieb mit anderen Maschinensätzen oder einem grösseren Verbundnetz zusammenarbeitet.
Arbeitet der Stromerzeuger jedoch im Inselbetrieb, so wird die Frequenz der Netzspannung durch die augenblickliche Wellendrehzahl des Maschinensatzes bestimmt, und es können keine Polradschwingungen der beschriebenen Art auftreten. Wird der Pendelmotor an den Drehstromhauptgenerator angeschlossen und dieser vom Netz abgeschaltet und entregt, so öffnet der Turbinenleitapparat voll, da die Spannung zwischen den Hauptleitern des Drehstromhauptgene- rators zusammenbricht und somit der Pendelmotor in seiner Drehzahl absinkt, wenn nicht besondere zusätzliche Hilfseinrichtungen vorgesehen werden.
Um die vorerwähnten Nachteile zu beseitigen, ist ein elektrischer Pendelantrieb vorgeschlagen worden, bei dem zwei mechanisch gekuppelte Pendelmotoren, nämlich ein Asynchronmotor und ein Synchronmotor das Pendel gleichzeitig antreiben. Der Asynchronmotor wird dabei an einen Pendelgenerator angeschlossen, der Synchronmotor wird über Transfor= matoren (Wandler) mit den Klemmen bzw. den Hauptleitern des Drehstromhauptgenerators verbunden.
Solange- an den Klemmen des Drehstromhaupt- generators genügend Spannung ansteht, führt der Sychronmotor das Pendel, da in diesem Fall der Schlupf des Asynchronmotors gleich null ist. Sinkt die Spannung des Drehstromhauptgenerators z. B. bei Entregung unter einen Mindestwert, so übernimmt der Asynchronmotor automatisch die Pendelführung und ein Durchgehen des Maschinensatzes wird verhindert. Der dabei im Asynchronmotor auftretende Schlupf ist praktisch nicht von Bedeutung.
Im Normalbetrieb wird bei dieser Art des elektrischen Pendelantriebes dem Turbinenregler nicht die Bewegung der Maschinenwelle als Eingangsgrösse zugeführt, sondern die Rotation des Zeigers der Klemmen- bzw. Netzspannung.
Der beschriebene Pendelantrieb mit zwei Antriebsmotoren hat jedoch den Nachteil, dass seine konstruktive Ausführung verhältnismässig aufwendig ist. Ferner bestehen bei allen mechanischen Reglern,
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auch bei solchen mit elektrischem Pendelantrieb, häufig Schwierigkeiten, zusätzlich Regel-, Führungs- oder Steuergrössen einzuführen, wie sie besonders beim Betrieb grosser Maschinensätze im Verband eines grossen Verbundnetzes in Frage kommen können. In neuerer Zeit werden daher anstelle der mechanischen Pendel mit Pendelmotor sogenannte elektrische Turbinenreglerköpfe verwendet.
Diese Tur- binenreglerköpfe können neben dem Messwertumfor- mer zum Ersatz des Pendels auch zusätzliche Schaltungsglieder zur Erzeugung des gewünschten Dyna- mikeinflusses enthalten. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf einen solchen Reglerkopf mit Einrichtungen zur Erzeugung des Dynamikeinflusses. Dabei wird das sonst vorhandene ölhydraulische Steuerwerk des Reglers, das beispielsweise Katarakt, Gestänge und Federn enthält, durch elektrische Schaltungselemente ersetzt.
Bei solchen elektrischen Reglerköpfen können leicht zusätzliche Einflussgrös- sen in elektrischer Form eingeführt und Einstell- änderungen im Betrieb vorgenommen werden. Eine solche Lösung besteht beispielsweise aus einer Einrichtung zur Umformung der Frequenzabweichung (Drehzahlabweichung) in eine Gleichspannung und einer nachgeschalteten Verstärkereinrichtung zur Regelsignal-Verstärkung und Erzeugung der gewünschten Regeldynamik sowie zur Einführung der Zusatzeinflüsse. Der Messwertumformer besteht z.
B. aus Phasensprungbrücken mit nachgeschalteten Hall- Multiplikatoren. Die Schaltung ist dabei so ausgeführt, dass sie die Gleichung u2sin-wt+zc2cos2wt =u2 nachbildet. Die Ausgangsgrösse der Verstärkeranord- nung wirkt sodann über ein oder mehrere elektrohydraulische Steuerventile auf das oder die Turbinenstellglieder ein. Die Verstärkeranordnung kann sich beispielsweise aus Magnetverstärkern mit Eingangsund Rückführnetzwerken aufbauen.
Wird ein elektrischer Turbinenreglerkopf an einen Pendelgenerator angeschlossen, der mit der Welle des Hauptmaschinensatzes gekuppelt ist, so liegen bezüglich der Polradpendelungen entsprechende Verhältnisse vor wie bei Verwendung eines mechanischen Pendels mit Pendelmotor. Wird der elektrische Tur- binenregierkopf dagegen durch die Spannung des Drehstromhauptgenerators gespeist, so besteht bei Entregung wiederum die Gefahr, dass. der Turbinen- leitapparat voll geöffnet wird.
Diese Nachteile werden durch den neuen, an den Hauptgenerator angeschlossenen elektrischen Tur- binenreglerkopf beseitigt und es werden damit weitere Vorteile hinsichtlich der freizügigen Einstellbarkeit gewonnen.
Die Lösung besteht darin, dass der elektrische Turbinenreglerkopf ausserdem an einen mit der Drehzahl der Kraftmaschine angetriebenen Wechselstromhilfsgenerator angeschlossen ist und dass mindestens ein elektrisches Einstellglied vorgesehen ist, das gestattet, das Verhältnis der vom Wechselstromhilfsgenerator und vom Wechselstromhauptgenerator gelieferten anteiligen Einflüsse zu ändern. Gegenüber der bekannten Anordnung mit zwei Antriebsmotoren für das Drehzahlpendel besteht dabei der Vorteil, dass nicht nur entweder der eine oder der andere Einfluss wirksam ist,
sondern dass auch aus beiden Einflüssen ein gewünschter Mischwert gebildet werden kann und dass es möglich ist, eine Änderung der beiden Einflussanteile während des Betriebes kontinuierlich vorzunehmen. Je nach Betriebsart, z. B. bei Verbundbetrieb oder bei Inselbetrieb, können von Hand oder selbsttätig die gewünschten Einstellungen vorgenommen werden. Der neue Reglerkopf kann somit zwei Messeingänge für die Frequenz (Drehzahl) besitzen, wobei ausserdem ein aus den beiden einstellbaren Messanteilen gebildeter Summeneinfluss auf eine für die beiden Eingänge gemeinsame Verstärkeranordnung zur Erzeugung des gewünschten Dynamikeinflusses wirken kann.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den beiden getrennten Messeingängen je eine eigene Ver- stärkeranordnung mit getrennt einstellbarer iUbertra- gungsfunktion zuzuordnen urid die Ausgangssignale beider Zweige getrennten oder einem gemeinsamen Hauptverstärker zuzuführen. Die Übertragungsfunktionen der Verstärkeranordnungen können sich dabei aus einer oder mehreren regelungstechnischen Funktionskomponenten (P-, I-, D-Anteil, eventuell auch höhere Differentialquotienten) zusammensetzen. Für jede dieser Funktionskomponenten kann in bekannter Weise auch eine eigene und für sich allein einstellbare Verstärkeranordnung verwendet werden.
Um die Wirkung der einzelnen Funktionskomponenten den jeweiligen Erfordernissen entweder bei kleinen Drehzahlabweichungen (Normalbetrieb) oder bei grossen Drehzahlabweichungen (z. B. Vollastabschal- tung) selbsttätig anzupassen, können in die einzelnen Zweige für die Funktionskomponenten zusätzliche nichtlineare Schaltungsglieder eingefügt werden.
Zur näheren Erläuterung wird auf die Ausführungsbeispiele und die Symboldiagramme in der Zeichnung verwiesen. Es zeigen Fig. 1 einen neuen elektrischen Turbinenreglerkopf mit zwei Frequenzmesseinrichtungen, an deren Ausgänge je eine Steuerwicklung eines Vorverstärkers angeschlossen ist; Fig. 2 einen neuen elektrischen Turbinenreglerkopf mit einer gemeinsamen Frequenzmesseinrich- tung für beide Eingänge ; Fig. 3a und 3b die Zerlegung einer übertragungs- funktion der Verstärkeranordnung in ihre Funktionskomponenten ;
Fig. 4a und 4b ein Blockbild nichtlinearer Schaltungsglieder mit nichtgeknickten Kennlinien; Fig. 5a und 5b ein Blockbild nichtlinearer Schaltungsglieder mit geknickten Kennlinien.
In Fig. 1 treibt die Turbine 1 den Drehstromhauptgenerator 2 und den Wechselstromhilfsgenera- tor 3 an. An den Wechselstromhilfsgenerator ist die Frequenzmesseinrichtung 4 angeschlossen. Die Hauptleiter des Drehstromhauptgenerators 2 sind
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über den Spannungswandler 5 mit der Frequenz- messeinrichtung 6 verbunden. Die Frequenz des Wechselstromhilfsgenerators muss dabei nicht gleich der Frequenz des Wechselstromhauptgenerators sein ; in diesem Fall sind die Frequenzmessglieder mit verschiedenen Schaltelementen ausgeführt.
Der Wech- selstromhilfsgenerator kann z. B. eine Mittelfrequenz- maschine sein. Es ist auch möglich, zwischen die Wandler 5 und die Messeinrichtung 6 einen Fre- quenzvervielfacher zu schalten. Der Ausgang der Frequenzmesseinrichtung 4 ist über einen einstellbaren Widerstand 7 auf die Steuerwicklung 8 eines Vorverstärkers 9 geschaltet. Der Ausgang der Fre- quenzmesseinrichtung 6 ist über einen einstellbaren Widerstand 10 mit der Steuerwicklung 11 des Vorverstärkers verbunden. Die Ausgangssignale der beiden Frequenzmesseinrichtungen 4 und 6 wirken auf den Vorverstärker 9 gleichsinnig ein.
Die Widerstände 7 und 10 sind dabei miteinander mechanisch gegenläufig gekuppelt, so dass einer Widerstandsver- grösserung im einen Zweig eine Widerstandsverminderung im anderen Zweig entspricht und umgekehrt. Die gekuppelten Widerstände 7 und 10 bilden zusammen ein elektrisches Einstellglied. Der Vorverstärker 9 speist . die Verstärkeranordnung 12; die ihrerseits das Verstellwerk 13 bestehend aus Elektroventil und Stellmotor beeinflusst. Der Stellmotor wirkt auf das Stellglied der Turbine ein.
An zwei Hauptleitern des Drehstromhauptgenerators 2 ist ferner eine spannungsabhängige Relaiseinrichtung 14 angeschlossen, die nach dem Ruhestromprinzip arbeitet und bei Entregung des Drehstromhauptgene- rators den Widerstand 7 kurzschliesst. Weitere üblicherweise vorhandene Hilfseinrichtungen sind nicht dargestellt.
Das elektrische Einstellglied aus den einstellbaren Widerständen 7 und 10 in den beiden Steuerkreisen. 8 und 11 des Vorverstärkers 9 bewirkt, dass der Ausgangsspannung der einen oder anderen Frequenz- messeinrichtung ein grösserer Einfluss gegeben werden kann, d. h. die Turbinenregelung wird entweder mehr von der Frequenz der einen oder von der Frequenz der anderen Speisespannung abhängig gemacht, wobei die Spannung des Wechselstromhilfs- generators 3 auch von den Polradpendelungen des Wechselstromhauptgenerators abhängig ist. Im Normalbetrieb haben beide Speisespannungen die gleiche. Frequenz.
Um sicherzustellen, dass der Turbinenregler auch bei Entregung des Hauptgenerators aktionsfähig bleibt, ist das elektrische Einstellglied so ausgebildet, dass der vom Wechselstromhilfsgenerator herrührende Einfluss nicht vollkommen ausgeschaltet werden kann. Der nicht ausschaltbare Resteinfluss genügt, um das Durchgehen der Turbine zu verhindern. Jedoch können die Regeleigenschaften .beim Wiedererreichen der Solldrehzahl ungünstig sein.
Die Relaiseinrichtung 14, die an der Spannung des Dreh- stromhauptgenerators liegt, kann zur Vermeidung dieses Nachteiles zusätzlich dazu dienen, beim Absinken der Spannung des Drehstromhauptgenerators 2 unter einen einstellbaren Mindestwert den Widerstand -7 ganz oder teilweise kurzzuschliessen, um selbsttätig eine Vergrösserung des vom Wechsel- stromhilfsgenerator 3 herrührenden Einflusses hervorzurufen.
Das Ausführungsbeispiel in Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 dadurch, dass nur eine Frequenzmesseinrichtung 19 vorgesehen ist, die über ein Einstellglied 15 gespeist wird. Das Einstellglied 15 ist an die beiden Messpannungen angeschlossen. Das Einstellglied besteht aus. einem einstellbaren Widerstand 16 mit Abgriff 20, der mit seinen Klemmen an gleichsinnige Ausgangsklemmen der Sekundärwicklungen der Zwischentransformatoren 17 und 18 angeschlossen ist. Dabei muss die Frequenz des Wechselstromhilfsgenerators gleich der Frequenz des Wechselstromhauptgenerators sein.
Wenn als Wech- selstromhilfsgenerator ein- Mittelfrequenzgenerator verwendet wird, kann in den Zweig mit dem Transformator 17 ein Frequenzvervielfacher geschaltet werden, so dass die Bedingung gleicher Frequenz am Einstellglied 15 wieder erfüllt wird. Die beiden übrigen gleichsinnigen Ausgangsklemmen der Zwischentransformatoren 17 und 18_ sind direkt miteinander zusammengeschaltet und mit einer Eingangsklemme der Frequenzmesseinrichtung 19 verbunden.
Die andere Eingangsklemme der Frequenzmesseinrich- tung 19 ist an den einstellbaren Abgriff 20 am Widerstand 16 angeschlossen. Die Primärwicklung des Zwischentransformators 17 liegt an der Ausgangsspannung des Spannungswandlers 5. Sie wird also vom Drehstromhauptgeneratör 2 gespeist. Die Primärwicklung des Zwischentransformators 18 ist an den Wechselstromhüfsgenerator 3 angeschlossen.
Die Frequenzmesseinrichtung 19 speist einen Vorverstärker 22, der seinerseits über die Verstärkeranordnung 12 das Verstellwerk 13 beeinflusst. Die beiden Zwi- schentränsformatoren 17 und 18 erzeugen sekundär- seitig die gleichen Spannungen. Sie sind über den einstellbaren Widerstand 16 parallel geschaltet. Am Widerstand 16 fällt demnach die geometrische Spannungsdifferenz zwischen den beiden Spannungen an. Die Phasendifferenz zwischen den beiden Spannungen der Zwischentransformatoren 17 und 18 sei durch den jeweiligen Polradwinkel des. Drehstrom- hauptgenerators gegeben.
Durch Verschieben des Abgriffes 20 ist es daher möglich, dem Vorverstärker 19 entweder eine Spannung entsprechend der Spannung des Drehstromhauptgenerators 2 oder entsprechend der Spannung des Wechselstromhilfsgene- rators 3 oder auch einen Mischwert aus beiden Mess- spannungen zuzuführen, wie dies im Zeigerdiagramm in Fig. 2 für die Spannung U3 dargestellt ist. Im stationären Betrieb rotieren beide Spannungszeiger mit gleichbleibendem Differenzwinkel.
Bei Polradpende- lungen schwankt der Differenzwinkel und entsprechend auch der Winkel des Zeigers U3 gegenüber dem gleichförmig rotierenden Zeiger U1.
Falls der Abgriff 20 gerade so eingestellt ist, dass die Spannung des Drehstromhauptgenerators 2
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überwiegend oder allein wirksam ist und eine Ent- regung eintritt, kommt die Spannung des Hilfsgene- rators selbsttätig zur Wirkung, wobei allerdings der Frequenzmesseinrichtung 19 der ohmsche Widerstand 16 vorgeschaltet ist.
Da die Frequenzmesseinrichtung 19 nach dem Resonanzprinzip arbeitet und einen vergleichsweise kleinen Strom aufnimmt, hat die durch den ohmschen Widerstand hervorgerufene Reduzierung des Spannungsbetrages keinen wesentlichen Einfluss. Um bei entregtem Häuptgenerator eine Rückspeisung in diesem vom Wandler 18 über den Wandler 17 zu verhindern, ist eine nicht dargestellte Relaiseinrichtung vorgesehen, welche die Sekundärwicklung des Zwischentransformators 17 bei abgesunkener Hauptgeneratorspannung abschaltet.
Dieselbe Relaiseinrichtung kann erforderlichenfalls auch dazu dienen, den vorgeschalteten Teil des Widerstandes 16 kurzzuschliessen.
Bei der Anordnung nach der Fig. 1 werden die dosierten Ausgangsgrössen der beiden Frequenzmesseinrichtungen 4 und 6 auf einen gemeinsamen Vorverstärker 9 geschaltet, der die Hauptverstärkeranordnung 12 zur Erzeugung der gewünschten Dyna- mikwirkung beeinflusst. Die Hauptverstärkeranörd- nung besitzt ein gewünschtes, durch die Art und die Dimensionierung der verschiedenen Schaltglieder bestimmtes Zeitverhalten, beispielsweise das bekannte PD-Verhalten. Seine Schaltungselemente werden daher als verstellbare Einstellglieder ausgeführt, so dass das Zeitverhalten geändert werden kann.
Fig. 3a zeigt in symbolischer Darstellung ein der genannten Verstärkeranordnung 12 entsprechendes Glied mit PD-Verhalten. Die Einzelkomponenten P und D (d. h. Proportional- und Differential-Anteil) sind dabei in zwei parallelen Zweigen je für sich dargestellt und die Ausgangsgrösse A des Vorverstärkers 9 in Fig. 1 bzw. 22 in Fig. 2 wird den Eingängen der beiden Teilzweige in gleicher Weise zugeführt. Die Ausgangssignale der Einzelzweige werden sodann im Punkt B summiert und die so gewonnene Gesamtausgangsgrösse B der Verstärkeranordnung wird dem elektrohydraulischen Steuerventil der nachgeschalteten Verstelleinrichtung 13 zugeführt.
Jede Einzelkomponente bzw. jeder Einzelzweig entsprechend der Fig. 3b kann mit einer eigenen Ver- stärkeranordnung verwirklicht werden. Daher ist es auch möglich, die Eingänge der Parallelzweige nicht miteinander zu verbinden, so dass sich für jede Komponente ein eigener Eingang ergibt. Die Eingangssignale der Einzelzweige müssen dabei nicht mehr dieselben sein.
Man kann jede Komponenten-Ein- gangsgrösse entweder entsprechend Fig. 1 oder entsprechend Fig. 2 an eigene Einstellglieder mit eigenen oder gemeinsamen Frequenzmesseinrichtungen anschliessen, so dass die Einzelkomponenten wahlweise und unabhängig voreinander mehr oder weniger vom Einfluss des Wechselstromhilfsgenerators oder vom Einfluss des Wechselstromhauptgenerators abhängig gemacht werden können.
Auch können beispielsweise zwei Komponenten zu einer Gruppe mit vereinigten Eingängen zusammengefasst werden, besonders wenn mehr als zwei Komponentenzweige vorgesehen sind, beispielsweise bei der zusätzlichen Einführung des zweiten Differentialquotienten.
Bei einem elektrischen Turbinenreglerkopf mit aufgetrennten Zweigen für die Einzel-Funktionskom- ponenten in der beschriebenen Ausführung können sehr vielfältige Einstellungen zur Erfüllung bestimmter Forderungen und zur Anpassung an die jeweilige Regelstrecke durchgeführt werden.
Bei vorstehenden Ausführungen am Beispiel der Wasserturbinenregelung brauchte die zur Erzielung einer eindeutigen Wirklastaufteilung im Parallelbetrieb erforderliche Dauerstatik nicht berücksichtigt zu werden, da sie dynamisch von untergeordneter Bedeutung ist. Die Dauerstatik wird im allgemeinen durch proportionale Rückführung einer der Turbinenöffnung proportionalen Grösse der Verstellein- richtung 13 zur Verstärkeranordnung oder Messein- richtung erzeugt.
Um bei kleinen oder grossen Drehzahl- bzw. Frequenzabweichungen vom Sollwert unterschiedlichen Einfluss des elektrischen Reglerkopfes auf die Verstelleinrichtung 13 zur Betätigung des Turbinenstellgliedes zu erzielen, können in die Zweige der einzelnen Funktionskomponenten zusätzlich nichtlineare Übertragungsglieder eingefügt werden. Entsprechende Glieder finden auch bei der elektrischen Analogienachbildung von Regelkreisen Anwendung, und sie können beispielsweise einstellbare Diodenstrecken enthalten.
Mit solchen Funktionsgeneratoren aus Diodenstrecken ist es möglich, in den vier Quadranten des Koordinatensystems eine beliebige Funktion a = f (s) durch Zusammensetzung aus Geradenstücken nachzubilden. Da die einzelnen Dioden nicht plötzlich vom leitenden in gesperrten Zustand übergehen, wird der Übergang von einem Geradenstück zum anderen abgerundet, so dass sich eine praktisch kontinuierliche Kurve ergibt. Die Abrundung der Übergänge kann durch besondere zusätzliche Schaltungsglieder noch verbessert werden.
In Fig. 4n ist ein solcher Funktionsgenerator symbolisch dargestellt. Jedem Wert der Eingangs- grösse a wird entsprechend der eingetragenen Kennlinie ein Ausgangswert a zugeordnet. Bei der dargestellten Abhängigkeit werden kleine Regelsignale praktisch proportional übertragen, während grosse Eingangssignale abgeschwächt am Ausgang erscheinen und einen entsprechend geringeren Einfluss auf die Turbinenregelung bewirken.
Wenn am Funktionsgenerator dagegen die entsprechend Fig. 4b eingetragene Kennlinie eingestellt wird, haben kleine Änderungen von s praktisch keinen Einfluss auf die Regelung. Nur grössere Werte des Eingangssignales s erzeugen ein Ausgangssignal a, welches einen Stelleingriff an der Turbine zur Folge hat.
Die Verwendung von Funktionsgeneratoren mit nicht geknickter Kennlinie kann besonders dann erforderlich oder zweckmässig sein, wenn das Aus-
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gangssignal a einer differenzierenden Verstärkeran- ordnung zugeführt wird. In einfacheren Fällen können auch nichtlineare Glieder mit geknickten Kennlinien Anwendung finden, beispielsweise Begrenzungsglieder oder Unempfindlichkeitsglieder, wie sie in Fig. 5a und 56 symbolisch dargestellt sind.