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Gerät zum Prüfen von Isolationen und dielektrischen Stoffen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zum Prüfen von Isolationen und dielektrischen Stoffen und vorzugsweise auf ein Gerät zur Bestimmung der Energieverluste in dielektrischen Stoffen. Gewohn- lieh bestimmt man die Energieverluste, indem man den dielektrischen Verlustwinkel tg 8 misst, d. h. das Verhältnis der Wirkkomponente zur Blindkomponente der Impedanz des zu prüfenden Objektes.
Es ist bekannt, zur Messung des Verlustfaktors eine sogenannte Scheringbrücke zu verwenden, ein Brücken- system, in welchem zwei benachbarte Zweige veränderliche Widerstandselemente enthalten, während in dem dritten Zweig ein Normalkondensator und im vierten Zweig das Prüfobjekt angeordnet ist. Bei der bisher üblichen Anwendung dieser Brückenschaltung wird die Brücke elektrisch abgeglichen durch Veränderung der vorerwähnten Widerstandselemente. Dieses Abgleichen der Brücke erfordert aber nicht nur grosse Erfahrung, sondern beansprucht vor allem auch eine erhebliche Zeit.
Die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Prüfgerät zu schaffen, bei welchem der Verlustwinkel oder die Kapazität oder beide Werte angezeigt werden durch ein Aus-
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Weiterhin soll durch die Erfindung die Genauigkeit der Messung erhöht und die Bedienung der Mess.. anordnung erleichtert werden.
Versuche und daran angeknüpfte Überlegungen haben gezeigt, dass man die oben gestellten Aufgaben lösen kann mit Hilfe einer Seheringbrücke, in deren Diagonalzweig vorgesehen sind erstens Mittel zur Teilung des den Diagonalzweig durchfliessenden Stromes in zwei Komponenten, von denen die eine ein Mass für die Kapazität des Prüflings und die andere ein Mass für seinen Verlustwinkel ist, und zweitens ein Messinstrument zur Anzeige bzw. Aufzeichnung der oben angeführten Komponenten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung beschrieben, u. zw. zeigt Fis ;. l ein Schaltungsschema der zur Durchführung des Erfindungsgedankens notwendigen Schaltelemente. Fig. 2 und 3 zeigen Varianten der in Fig. 1 angeführten Schaltung. Fig. 4 stellt einen Synchronschalter dar, wie er beispielsweise in den Schaltungen gemäss Fig. 1-3 benutzt werden kann. Fis. 5 zeigt die Schaltung eines Phasenschiebers, der in den Fig. 1-3 Anwendung finden kann, und Fig. 6 zeigt ein Vektordiagramm, an Hand dessen die Wirkungsweise späterhin erläutert wird.
In der Fig. 1 wird die Messanordnung von einer schematisch dargestellten Wechselstromquelle gespeist. Die Messanordnung wird gebildet von einer sogenannten Scheringbrücke, die besteht aus einem veränderbaren Widerstandselement R, einem zweiten veränderbaren Widerstandselement R2, einem Normalkondensator Cn und dem Prüfobjekt P, das z. B. ein Kondensator, ein dielektrisches Material oder auch die Isolation eines elektrischen Gerätes, z. B. eines Transformators, sein kann. Die Brücke wird aus der Stromquelle über einen Transformator T gespeist, dessen Primärwicklung unmittelbar an die Stromquelle geschaltet ist. Die Sekundärwicklung ist mit den beiden Endpunkten der Brücke verbunden.
Durch eine nicht dargestellte Anordnung können von der Sekundärwicklung des Trans-
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Synchronschalter G1 und G2 in ihrer Phase mit Hilfe des Phasenschiebers beliebig gegenüber der Phase der Brüekenspeisespannung verschoben werden können, jedoch stets so, dass zwischen den beiden Erregerströmen der Synchronschalter G1 und G2 stets eine Phasenverschiebung von 90 aufrechterhalten bleibt.
In der Brückendiagonale sind weiterhin noch zwei Wechselschalter U angeordnet. von denen der untere dazu dient, wahlweise den Synchronschalter G1 oder G2 in die Brüekendiagonale zu sehalten. während der obere dazu dient die Briiekendiagonale in Reihe mit dem Normalkondensator Cn parallel zumWiderstandR2schaltenzukönnen.
An dem Widerstand R1 ist eine Skala vorgesehen, die zweckmässig in Mikrofarad geeicht ist. Ebenso ist an dem veränderbaren Widerstand R2 eine Skala vorgesehen, die in Volt geeicht ist.
Als Phasenschieber kann an sich jede bekannte Form benutzt werden, die eine kontinuierliche Verschiebung der Phase ermöglicht. Eine besonders einfache Ausführungsform ist in der Fig. 5 dargestellt. In dieser Figur ist ein Stromkreis in zwei Zweige geteilt, von denen der eine eine Serienschaltung eines Potentiometers R4 mit verstellbarer Bürste Bi und eines ohmschen Widerstandselementes Es enthält. Parallel zu dem Potentiometer ist eine Induktivität Li angeordnet und parallel zum Wider- stand. R ein Kondensator Ci. Der andere Zweig des obenerwähnten Kreises enthält die Sekundärwicklung eines Transformators Ti, dessen Primärwicklung von der die Brücke speisenden Stromquelle erregt wird.
Ferner enthält der Phasenschieber einen zweiten unterteilten Stromkreis, dessen einer Teil von einem induktiven Widerstand L2 und dessen anderer Teil von einem Kondensator C2 gebildet wird. In diesem
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und K2 dienen zum Anschluss der Erregerwicklung des Synchronsehalters G'i bzw. der Erregerwicklung des Synchronschalters G2.
Ohne weitere Erläuterung dürfte es aus der Schaltung ersichtlich sein, dass bei Verschieben der Bürste B1 bzw. B2, von denen die eine für Grobregulierung, die andere für Feinregulierung dient, die Phasenlage der von den Klemmen Ki bzw. 72 entnommenen Ströme verschoben wird gegenüber der Phasenlage der Sekundärspannung des Transformators Ti. Ferner dürfte ersichtlich sein, dass durch
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nommen wird, eine Phasenverschiebung von 90 haben wird gegenüber dem Strom, den man aus den Klemmen fizz entnimmt. Infolgedessen bleibt diese relative Phasenlage der beiden Erregerströme gegeneinander unabhängig von der sonstigen Einstellung des Phasenschiebers stets aufrechterhalten.
Die
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und Xs entnommenen Erregerströme um gleiche Beträge gegenüber der Phase der Sekundärspannung des Transformators Tl verschoben werden.
Die in den Fig. 1-3 dargestellten Synchronschalter können in ähnlicher Weise konstruiert sein wie die an sich bekannten Schwinggleichriehter. Zum besseren Verständnis ist in der Fig. 4 ein Aus- führungsbeispiel eines solchen Synchronschalters gezeigt. Mit Z ist eine schwingbare Zunge aus elastischem
Stahl bezeichnet, die einen Kontakt trägt, der mit einem festen von der Schraube D getragenen Gegenkontakt zusammenarbeitet. W ist die Erregerwicklung, die auf zwei entgegengesetzten Seiten der Zuna : e Z gegenüberstehende Pole verteilt ist. Beide Pole sind mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht dargestellten permanenten Magneten gleichnamig vormagnetisiert. Entsprechend der Stromrichtung in der Erregerwicklung W wird einer der beiden Pole geschwächt und der andere verstärkt.
Infolgedessen wird die Zunge Z entweder gegen den festen Kontakt D gezogen oder von ihm entfernt. Bei Erregung der Wicklung W mit Wechselstrom wird demnach der Kontakt während der positiven oder der negativen Halb-
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gehalten. Wenn man die Eigenschwingungszahl der Zunge Z zweckmässig wählt, d. h. vorzugsweise wesentlich höher als die erregende Frequenz und mit sehr kleinen Kontaktöffnungswegen arbeitet, dann entsprechen die Öffnungs- und Schliesszeiten den jeweiligen Halbwellen mit solcher Genauigkeit, dass auch sehr empfindliche Messungen eindeutig darauf aufgebaut werden können. Der Stromkreis, der von dem Synehronsehalter gesteuert wird, verläuft über die Zunge Z, an die er z.
B. durch eine Klemme K3 angeschlossen werden kann, zu der Gegenkontaktschraube D, zu deren Anschluss an den Stromkreis eine weitere mit t bezeichnete Klemme dienen kann. Natürlich muss die Zunge gegen den sie und die Schraube D tragenden Block isoliert sein.
An Stelle eines oben beschriebenen mechanischen Synchronschalters kann man auch Trockengleichrichter verwenden, deren Sperr- bzw. Durchlasszeiten durch eine die zu steuernde Spannung wesentlich übersteigende Hilfsspannung bestimmt werden können. Durch Phasenverschiebung dieser Hil t's- spannung kann man Sperr-und Durehlasszeiten in bezug auf die zu steuernde Spannung beliebig in der Phase verändern.
Bevor auf die Beschreibung des in der Fig. 1 dargestellten Gerätes eingegangen wird, soll zuvor kurz in Verbindung mit dem in der Fig. 6 dargestellten Vektordiagramm die theoretische Wirkungsweise
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erläutert werden. Der Vektor V stellt die Spannung dar, welche an der Brücke liegt. Der Vektor JCn stellt den Strom dar, der in denjenigen Brückenzweig fliesst, der den Normalkondensator Cn enthält.
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Mit Jd ist der Vektor des Stromes bezeichnet, der durch den Diagonalzweig der Brücke fliesst. Zur Vereinfachung der Erläuterung soll zunächst unterstellt werden, dass der Normalkondensator verlustfrei ist und dass demgemäss der Stromvektor JCn senkrecht auf dem Spannungsvektor V steht.
Aus einer dem Fachmann geläufigen Überlegung ergibt sich, dass der Winkel, welcher von den beiden Vektoren JCn und JCa : eingeschlossen wird, der dielektrische Verhistwinkel ist, der mit Hilfe des Erfindungsgegenstandes bestimmt werden soll, d. h. aber, dass tg Ï gleich ist dem Verhältnis der Wirkkomponente zu der Blindkomponente der Impedanz des Prüfobjcktes. Wenn der Vektor J (l in zwei Komponenten Jtl, und J (I. geteilt wird, die aufeinander senkrecht stehen und von denen eine parallel zu dem Vektor JCx verläuft, dann gilt die Gleichung tg Ï = Jdi :
JC'M. Nun ist aber JCM gegeben durch die Kapazität des Normalkondensators On und durch den Wert der Spannung V. Wenn also die zuletzt genannten Werte bei Beginn der Messung bekannt sind, dann kann der Wert von JCn als Konstante angenommen werden. Infolgedessen wird dann der Wert von J (I, als Mass für den Verlustfaktor, d. h. für den tg S angesehen werden können. Es genügt also, den Wert von Jd1 zu bestimmen.
Es mag noch erwähnt werden, dass die oben angeführten Überlegungen eine Annäherung darstellen und nur gelten, wenn der Winkel @ verhältnismässig klein ist. Diese Voraussetzung ist aber bei allen in Betracht kommenden Messungen erfüllt. Ferner war zur Vereinfachung der Betrachtung vorausgesetzt, dass der Normalkondensator Cn keine dielektrischen Verluste hat. Aber auch wenn diese Voraussetzung nicht vollkommen erfüllt ist, behalten die obenstehenden Betrachtungen ihre Richtigkeit, so dass auch dann der Vektor Jd1 als Mass für den Verlustwinkel angesehen werden muss.
Auf Grund der obenstehenden theoretischen Überlegung dürfte klar sein, dass zur Bestimmung des tg # der Strom, welcher durch die Brückendiagonale fliesst, in die beiden obenerwähnten Komponenten geteilt werden muss und dass für diesen Zweck die beiden Synchronsehalter G1 und G2 dienrn. Ferner muss die eine der beiden Komponenten, wie oben ebenfalls bereits gesagt, parallel zum Vektor JCx liegen. und für diese Einstellung dient der Phasenschieber Ph.
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enthält, parallel zu dem Brückenarm geschaltet, in welchem das veränderbare Widerstandselement R2 angeordnet ist.
Da, wie bekannt, der Verlustwinkel abhängig von der dem Prüfobjekt aufgedrückten Spannung ist, pflegt man im allgemeinen mehrere Werte des Verlustwinkels für verschiedene Spannungen zu bestimmen. Demgemäss wird der gewünschte Wert der Prüfspannung durch Einstellung des Widerstandselementes Ho an Hand der Skala erhalten. Nach Einstellung des Widerstandes R2 wird der Phasenschieber so lange verstellt, bis der Aussehlag des Instrumentes J ein Maximum erreicht, solange der untere
Schalter U in der einen Endlage sieh befindet, und ein Minimum erreicht, solange der untere Schalter U in der andern Endlage liegt, d. h. solange der Synchronschalter G2 eingeschaltet ist.
Nunmehr wird, nachdem der Synchronschalter G1 eingeschaltet ist, die Sekundärspannung des Transformators T so eingestellt, bis der Zeiger des Messinstrumentes einen vorausbestimmten Wert anzeigt.
In diesem Falle hat nämlich die an der Brücke und an dem Prüfobjekt liegende Spannung den auf der Skala des Widerstandes R2 eingestellten Wert. Danach wird der obere Schalter U in die in der Fig. 1 durch ausgezogene Linien dargestellte Lage gebracht. Infolgedessen liegt der Diagonalzweig der Brücke nunmehr ordnungsgemäss in der Brückenschaltung. Jetzt wird das Widerstandselement R1 so lange verändert, bis der Zeiger des Messinstrumentes J innerhalb der Skala steht. Das Widerstandselement ist in solcher Weise unterteilt, dass jeder Stufe gerade der Messbereich des Instrumentes entspricht.
Auf diese Weise wird demnach erreicht, dass der Messbereich des Instrumentes beliebig verlängert werden kann, indem entsprechend viel Stufen des Widerstandes R1 eingeschaltet werden. Diese einzelnen Widerstandsstufen können dann gleichzeitig in ganzzahligen Vielfachen der Normalkapazität geeicht sein, so dass man aus der Summe des an dem Widerstand R1 eingestellten Kapazitätswertes und des von dem Messinstrumentenzeiger angezeigten Kapazitätwertes unmittelbar die Kapazität des Prüflings ablesen kann, wobei zweckmässig die Skala des Instrumentes nach einer Zehnerpotenz unterteilt ist. Der auf diese Weise gemessene Wert stellt die Grösse der Stromkomponente Jd2 dar.
Aus dem in der Fig. 6 dargestellten Diagramm ergibt sich aber, dass die Summe der Vektoren J und JCn ungefähr gleich ist dem Vektor JCx. Somit ist dieser Vektor ein Mass für den Wert der Kapazität des Prüfobjektes. Wenn nun der Vektor JCn, wie oben angegeben, als Konstante betrachtet wird, dann gibt der Stromvektor Jfi tatsächlich ein Mass für den Wert der gesuchten Kapazität, und dieser Wert wird in der beschriebenen Weise angezeigt durch das geeignet geeichte Messinstrument J, wenn das Instrument in Serie mit einem der beiden Synchronschalter G1 und Gz liegt.
Wenn man den unteren Schalter U umgeschaltet hat, d. h. wenn das Messinstrument in Serie mit dem andern der beiden Synchronschalter G1 oder go gelegt ist, dann wird der Wert des Verlustwinkels,
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klein im Verhältnis zu den Widerständen der beiden andern Brückenarme, die den Normalkondensator und das Prüfobjekt enthalten. Darüber hinaus wird bei dem Erfindungsgegenstand der das Messinstru- ment J enthaltenden Brückendiagonale ein möglichst hoher Widerstand gegeben, um die Genauigkeit der Messung möglichst zu steigern.
Die oben beschriebene Anordnung lässt sich insbesondere für hohe Brüekenspannungen noch wesentlich verbessern, wenn man dem Diagonalzweig der Brücke mit daran hängendem Normalkondensator und diesem benachbartem ohmschen Widerstand gesondert speist, z. B. mit Hilfe eines Spannung- wandlers, der an die Erregerspannung der Brücke angeschlossen ist. Eine solche Ausführungsform ist in der Fig. 2 dargestellt, die im übrigen der Fig. 1 entspricht, so dass alle gleichartigen Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Abweichend von der Fig. 1 ist ein zweiter Transformator vorgesehen, dessen Primärwicklung mit den Enden der Sekundärwicklung des Speisetransformators'1' verbunden ist und so in bezug auf die Brücke zwei Brückenzweige bildet. Der Normalkondensator C) ; und der Widerstand R2 sind in Reihe zueinander geschaltet und mit der Sekundärwicklung des Transformators Sp verbunden. Auf diese Weise werden die Elemente R und CM gewissermassen mit dem Übersetzungsverhältnis des Transformators Sp in die von dessen Primärwicklung gebildeten Briickenarme geschaltet.
Infolgedessen kann der Widerstand des Kondensators CH und des Elementes R2 verhältnismässig klein sein, da ihre elektrische Wirkung in die Brücke mit dem Übersetzungsverhältnis des Transformators Sp eingeht. Weiterhin kann der Verlustwinkel des Normalkondensators Cn durch den Winkelfehler des Transformators Sp kompensiert werden. Schliesslich kann man wegen des geringen Widerstandes der Elemente Cm und R2 einen verhältnismässig starken Strom in ihnen und den mit ihnen verbundenen Elementen fliessen lassen. Als Normalkondensator kann eine wenig Platz beanspruchende Form, z. B. ein Glimmerkondensator, verwendet werden.
Eine weitere in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform deckt sich im wesentlichen mit der in Fig. 2 gezeigten. Es ist lediglich eine Vereinfachung dadurch getroffen, dass die beiden in Fig. 2 dargestellten Transformatoren T und Sp zu einem Transformator Sp vereinigt sind. Die eine Sekundärwicklung dieses Transformators Sp entspricht in bezug auf ihre Wirkungsweise der Sekundärwicklung des Transformators T in Fig. 1 und 2. Die andere Sekundärwicklung entspricht in bezug auf ihre Wirkungsweise der Sekundärwicklung des Transformators Sp in der Fig. 2. Die Erregerwicklung E wird von der Stromquelle gespeist.
Ausserdem ist die Anordnung gemäss Fig. 3 dadurch vereinfacht, dass die Erregerströme der Synchron-
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beiden Synchronschalter Cj ist eine Anordnung zur Verschiebung der Phase um 900 geschaltet. Eine solche Anordnung S kann z. B. aus den Elementen L2, O2 und R6 des in Fig. 5 dargestellten Phasenschiebers bestehen.
Es ist ohne weiteres klar, dass an Stelle der zwei Synchronschalter auch ein einziger Synchronschalter ausreicht, wenn man Mittel vorsieht, um bei jeder beliebigen Phasenlage die Phase um genau 900 verschieben zu können. In diesem Falle wird an Stelle des unteren bzw. rechten Umsclalters U das diese Phasenverschiebung von 90 bewirkende Gerät betätigt.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Gerät zum Prüfen von Isolationen und dielektrischen Stoffen unter Verwendung einer Brüekenschaltung, deren einen Zweig das Prüfobjekt bildet, während der benachbarte Zweig von einem Normalkondensator und die weiteren beiden Zweige von ohmschen Widerständen gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um den die Brückendiagonale durchfliessenden Strom in zwei senkrecht aufeinander stehende Komponenten zu zerlegen, die wahlweise mit einem Aussehlagmessgerät angezeigt oder aufgezeichnet werden können und deren eine ein Mass für die Kapazität des Prüfobjektes und deren andere ein Mass für den Verlustfaktor des Prüfobjektes ist.