AT511402A1 - Prüfgenerator - Google Patents

Abstract

Prüfgenerator (1) zur hochfrequenten Hochspannungsprüfung von elektrischen Komponenten, mit: einem PWM-Verstärker (3) , der in an sich bekannter Weise ein Eingangssignal (5) in Pulsweitenmodulation auf ein internes gepulstes Leistungssignal (12) aufmoduliert und aus diesem über ein Tiefpassfilter ein Ausgangssignal (13) formt, welches das Eingangssignal (5) leistungsverstärkt wiedergibt, wobei an den Eingang des PWM-Verstärkers (3) der Ausgang eines durchstimmbaren Niederspannungs-Signalgenerators (2) angeschlossen ist, und wobei das genannte Tiefpassfilter durch einen aufwärts transformierenden Hochspannungs-Transformator (4) gebildet ist.

Description

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PATCN*rAHW^T;^r^4NG.;DR-TECHN. ANDREAS WEISER EURÖTEAN PATENT ÄttDTRADEMARK A'iTORNHY A-1130 WIEN KOPFGASSE 7 04097

Technische Universität Graz und Forschungsholding TU Graz GmbH A-8010 Graz (AT)

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Prüfgenerator zur hochfrequenten Hochspannungsprüfung von elektrischen Komponenten .

Im Bestreben der heutigen Energie- und Hochspannungstechnik, Isolierstoffe und andere Materialien immer besser auszunutzen, dabei deren Effizienz und Lebensdauer zu steigern und eine höhere Betriebssicherheit zu gewährleisten, müssen diese Materialien unter Beanspruchung getestet und dabei ihre Eigenschaften ermittelt werden. Solche Tests umfassen typischerweise Rochspannungs- und Durchschlagsprüfungen, Verlustfaktormessungen und Lebensdaueruntersuchungen unter Extrembedingungen. Da meist auch das Hochfrequenzverhalten der zu messenden Materialien ermittelt werden soll, reicht es nicht, die erforderliche Hochspannung bei Versorgungsnetzfrequenz zur Verfügung zu stellen, sondern es sind deutlich höhere Prüffrequenzen erforderlich .

Heute werden derartige Prüfungen sehr aufwändig mit Seri-en-Resonanzanlagen durchgeführt. Diese bestehen aus einer Schaltung von Induktivitäten, Kapazitäten und Dämpfungswiderständen, welche mit einer Hochspannungsdrossel einen Schwingkreis bilden, der auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt wird. TEI(+43 1) 879 17 06 · FAX: (+43 1) 879 17 07 · lAIA)].: ΜΛΙ1^ΛΤΚΝΊΊ·.ΝΙίΤ - WEB: WW.PATENTK.NIT ERSTE BANK: 038-56704 Bl//.: 2011t · 1 BAN: ATI02011100003856704 Bit: C.IBAATWW VA Γ: A l t 53832900 Für jede Frequenz sind eine eigene Abstimmung und dadurch ein eigener Prüfvorgang notwendig. Die gesamte Schaltung aus Prüftransformator und Serien-Resonanzanlage ist, da meist für sehr hohe Leistungen ausgeiegt, üblicherweise raumfüllend und kaum für eine Vorortprüfung geeignet. Auch kann die Resonanzbedingung nicht für jede beliebige Frequenz erfüllt werden. Alternative Versuche auf Basis eines Niederspannungs-Hochfrequenz-Generators mit einem kompakten Hochspannungs-Transformator scheiterten bisher an den hohen, vor allem magnetischen Verlusten im Hochspannungs-Transformator besonders bei hohen Frequenzen und magnetischen Sättigungseffekten im Transformatorkern. Luftspulen vermeiden zwar derartige Sättigungseffekte infolge eines zu hohen magnetischen Flusses, weisen wegen ihres hohen Streuflusses jedoch eine wesentlich niedrigere Effizienz auf.

Als „Hochfrequenz" ist in diesem Zusammenhang ein Frequenzbereich wesentlich über der typischen Netzversorgungsfrequenz von 50 bzw. 60 Hz zu verstehen, also bereits Frequenzen von einigen 100 Hz bis einige 10 kHz, z.B. etwa 20 kHz.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, einen Prüfgenerator zur hochfrequenten Hochspannungsprüfung von elektrischen Komponenten zu schaffen, welcher auf einfache Weise in Frequenz und Spannung an gegebene Prüferfordernisse angepasst werden kann und dadurch den Prüfungsablauf beschleunigt, und welcher gleichzeitig über kompakte Abmessungen auch für einen mobilen Einsatz verfügt. » · « * ·

Dieses Ziel wird durch einen Prüfgenerator der einleitend genannten Art erreicht, der sich gemäß der Erfindung durch einen PWM-Verstärker („pulse width modulation" amplifier, Puls-weitenmodulations-Verstärker) auszeichnet, der in an sich bekannter Weise ein Eingangssignal in Pulsweitenmodulation auf ein internes gepulstes Leistungssignal aufmoduliert und aus diesem über ein Tiefpassfilter ein Ausgangssignal· formt, welches das Eingangssignal leistungsverstärkt wiedergibt, wobei an den Eingang des PWM-Verstärkers der Ausgang eines durchstimmbaren Niederspannungs-Signalgenerators angeschlossen ist, und wobei das genannte Tiefpassfilter durch einen aufwärts transformierenden Hochspannungs-Transformator gebildet ist.

Das Prüfsignal wird gemäß der Erfindung zunächst von einem herkömmlichen Niederspannungs-Signalgenerator geformt, was eine beliebige Frequenz-, Amplituden- und Signalformveränderung ermöglicht. Eine zeitraubende Abstimmung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises entfällt. Der PWM-Verstärker wandelt das Eingangssignal vom Signalgenerator in ein gepulstes Signal gewünschter Leistung um, welches im Hochspannungs-Transformator auf Hochspannung umgeformt und dabei gleichzeitig tiefpassgefiltert wird, ohne dass ein gesondertes Filter aufgebaut werden muss. Dadurch wird die ursprüngliche Signalform des Niederspannungs-Signalgenerators wiedergewonnen; sie steht als Hochspannungs-Ausgangssignal des Prüfgenerators für die Prüfung einer elektrischen Komponente zur Verfügung. * · II»· « * * «

Bevorzugt hat der Hochspannungstransformator einen Schnittbandkern. Ein solcher aus einer Vielzahl dünner, gegeneinander isolierter Bänder zusammengesetzter Transformatorkern verhindert weitgehend die Bildung von Wirbelströmen in seinem Inneren und reduziert resultierende Eisenverluste deutlich. Wegen der geringeren Verluste kann der Hochspannungs-Transformator und damit der gesamte Prüfgenerator wesentlich kompakter aufgebaut werden als bisher. Ein mobiler Einsatz des Prüfgenerators wird dadurch möglich.

Besonders günstig ist es, wenn der Hochspannungs-Transformator zwei E-fÖrmige Kerne aufweist, die an ihren einander zugewandten Schenkeln luftspaltfrei aneinandergefügt sind. Durch eine derartige Geometrie ergeben sich geringere Streuverluste. Auch können Primär- und Sekundärwicklungen so angeordnet werden, dass beide vom Transformatorkern umgeben sind. Die Vermeidung eines Luftspalts im Transformatorkern reduziert dessen magnetischen Widerstand. Dies und die hohe Betriebsfrequenz ermöglichen ein kleineres Bauvolumen. Sättigungseffekten kann durch die Wahl des Kernmaterials vorgebeugt werden, wie weiter unten genauer ausgeführt wird.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Niederspannungswicklung des Hochspannungs-Transformators als Hochfrequenz-Litze mit rechteckigem Querschnitt aufgebaut ist. Ein solcher Querschnitt ermöglicht eine gute Ausnutzung des verfügbaren Wicklungsfensters im Transformatorkern. Eine Hochfrequenz-Litze hält dabei * * * * • ♦ · *·« »* “* 3 ,r * · * »«»· · * * ( * * * * * * · · > die Verluste und damit auch ihre eigene Erwärmung und in der Folge die Erwärmung des Hochspannungs-Transformators und des Prüfgenerators gering. Besonders bevorzugt ist die Hochfrequenz-Litze aus gegeneinander isolierten, verdrillten Einzelleitern gefertigt. Ein derartiger Aufbau der Hochfrequenz-Litze reduziert Wirbelströme in ihrem Inneren bis zu hohen Frequenzen und trägt dadurch zu höherer Effizienz bei. Günstig ist es, wenn der Niederspannungs-Signalgenerator ein etwa sinusförmiges Eingangssignal im Frequenzbereich von 500 Hz bis 20 kHz erzeugt. Ein in diesem Frequenzbereich arbeitender, auf einfache Weise durchstimmbarer Prüfgenerator deckt einen weiten Bereich von Spannungs-, Verlustfaktor- und allgemein Isoliermaterialmessungen bei einfacher Bedienung ab.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das interne gepulste Leistungssignal eine Pulsfrequenz im Bereich von 50 kHz bis 500 kHz, bevorzugt von 150 kHz bis 400 kHz, besonders bevorzugt etwa von 300 kHz, hat. Bei einer solchen Pulsfrequenz, welche deutlich höher liegt als die maximale Frequenz des Einganssignals, kann dieses Signal durch ein in seiner Pulsweite moduliertes, gepulstes Leistungssignal besonders gut genähert und bei der abschließenden Filterung im Hochspannungs-Transformator aus dem gepulsten Leistungssignal wiedergewonnen werden: Der Hochspannungs-Transformator kann in seiner Filterfunktion das Prüfsignal besonders einfach von den Pulsfre-quenzanteilen des Leistungssignals trennen.

Bevorzugt hat der Hochspannungs-Transformator ein Spannungs-Übersetzungsverhältnis von seiner Niederspannungs- zu seiner Hochspannungsseite im Bereich von 1:5 bis 1:100, besonders bevorzugt von 1: 10 bis 1: 40, welches in Abhängigkeit vom Spannungsniveau der Quelle für das Leistungssignal die maximal erzielbare Ausgangsspannung des Prüfgenerators bestimmt. Günstig ist es, wenn der Hochspannungs-Transformator über eine geerdete Schirmung zwischen der Primär- und Sekundärseite verfügt, wodurch Schaltoberschwingungen unterdrückt werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ausgang des Hochspannungs-Transformators über eine Rückführleitung die Spannung des Leistungssignals steuert, um die Ausgangsspannung des Prüfgenerators lastunabhängig konstant zu halten. Durch eine derartige Spannungsnachführung bzw. Spannungsregelung des Leistungssignals kann ein sicherer Prüfbetrieb bei über den gesamten Frequenzbereich gleichbleibenden Bedingungen ermöglicht werden. Eine solche Spannungsregelung ist einfach realisierbar und hält den Prüfgenerator frei von Rückwirkungen der Last, welche sich über den Frequenzbereich während eines Prüfvorgangs deutlich ändern können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den beigeschlossenen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Prüfgenerators ;

Fig. 2 den Kern des Hochspannungs-Transformators des Prüfgenerators von Fig. 1 in einer Perspektivansicht von oben; und

Fig. 3 eine aus verdrillten Flachdraht-Einzelleitern aufgebaute Hochfrequenz-Litze der Niederspannungswicklung des Hochspannungs-Transformators von Fig. 2 in einer Perspektivansicht .

In Fig. 1 ist ein Prüfgenerator 1 dargestellt, welcher hochfrequente Hochspannungsprüfungen von elektrischen Komponenten ermöglicht. Der Prüfgenerator 1 weist einen Niederspannungs-Signalgenerator 2 und einen PWM-Verstärker 3 („pulse width modulation" amplifier, Pulsweitenmodulations-Verstärker) mit einem ausgangsseitigen Hochspannungs-Transformator 4 auf. Der Prüfgenerator 1 erzeugt Prüfspannungen z.B. im Bereich von bis zu 10 kV bei Frequenzen im Bereich von 500 Hz bis 20 kHz.

Der Niederspannungs-Signalgenerator 2 erzeugt ein Eingangssignal 5 für den PWM-Verstärker 3. Die Frequenz dieses im Allgemeinen etwa sinusförmigen Eingangssignals 5 ist durch den Niederspannungs-Signalgenerator 2 bevorzugt stufenlos einstellbar. Der bevorzugte Frequenzbereich des Eingangssignals 5 liegt bei 500 Hz bis 20 kHz; der Prüfgenerator 1 kann jedoch auch für einen anderen Frequenzbereich aufgebaut werden. Auch kann der Niederspannungs-Signalgenerator 2 ein von der Sinusform abweichendes Eingangssignal 5 für den PWM-Verstärker 3 erzeugen. Der Niederspannungs-Signalgenerator 2 arbeitet dabei als herkömmlicher Signalgenerator ohne spezifische Anforderungen an die Spannung oder die Leistung des Eingangssignals 5. • * • *·♦ ·· —4 f> . W" * * * t · · · · « * fr * · · * * * « > *

Das Eingangssignal 5 wird im PWM-Verstärker 3 in einem Komparator 6 in an sich bekannter Weise mit einem im PWM-Verstärker 3 erzeugten Dreiecksignal 7 verglichen, dessen Frequenz wesentlich höher ist als die maximale Frequenz des Eingangssignals 5. Das Ergebnis des Vergleichs im Komparator 6 ist ein pulsförmiges Steuersignal 8, welches am Ausgang des Komparators 6 zur Verfügung gestellt wird. Die Breite der sich durch den Vergleich ergebenden Impulse des Steuersignals 8 ist durch die jeweils momentane Amplitude des Eingangssignals 5 bestimmt („Pulsweitenmodulation"), und die Pulsfrequenz ergibt sich aus der Frequenz des Dreiecksignals 7.

Die Pulsweitenmodulation im PWM-Verstärker 3 kann durch eine Pulsdichte- oder eine Pulsphasenmodulation ersetzt werden, ohne dass sich dabei eine wesentliche Änderung in Aufbau und Funktion des Prüfgenerators 1 ergeben würde. Alle diese Varianten werden von dem hier verwendeten Begriff „PWM-Verstärker" mitumfasst. Allerdings ist die Pulsweitenmodulation wegen ihres Oberschwingungsverhaltens und der geringeren Rückwirkungen im Netzbetrieb bevorzugt.

Das Steuersignal 8 dient zum Ansteuern einer Schaltstufe 9, welche die Verstärkerstufe des PWM-Verstärkers 3 darstellt und von einer Spannungsquelle 10 hoher Leistung gespeist wird. Die Schaltstufe 9 nutzt das pulsförmige Steuersignal 8 als binäres Schaltsignal, gemäß welchem sie die Spannung der Quelle 10 an ihren Ausgang 11 ebenso pulsförmig durchschaltet. Die Schaltstufe 9 bildet auf diese Weise das mit dem Eingangssi-

gnal 5 modulierte Steuersignal 8 an ihrem Ausgang 11 in Form eines pulsweitenmodulierten Leistungssignals 12 ab. Die Form des Leistungssignals 12 entspricht der Form des Steuersignals 8 und seine Leistung wird im Wesentlichen durch die Leistung der Spannungsquelle 10 bestimmt und liegt im vorliegenden Fall bei bis zu etwa 5kVA.

Im Hochspannungs-Transformator 4, welcher gleichzeitig als Tiefpassfilter des PWM-Verstärkers 3 dient, wird das gepulste Niederspannungs-Leistungssignal 12 gemäß dem Spannungsübersetzungsverhältnis des Hochspannungs-Transformators 4 in ein Hochspannungs-Ausgangssignal 13 transformiert und an den Klemmen 14 des Prüfgenerators 1 für einen Prüfvorgang zur Verfügung gestellt. Das Spannungsübersetzungsverhältnis ergibt sich in bekannter Weise aus dem Verhältnis der Windungszahlen einer primärseitigen Niederspannungswicklung zu einer sekundärseitigen Hochspannungswicklung im Hochspannungs-Transformator 4. Bevorzugt ist die Hochspannungswicklung um die Niederspannungswicklung gewickelt.

Mit seiner Tiefpassfilterwirkung formt der Hochspannungs-Transformator 4 gleichzeitig ein Ausgangssignal 13, in welchem die deutlich höherfrequenten Anteile der Pulse des Leistungssignals 12 nicht mehr auftreten. Das Ausgangssignal 13 gibt so das Eingangssignal 5 leistungsverstärkt wieder.

Resonanzeffekte des Hochspannungs-Transformators 4 und solche, welche sich aus dem Zusammenwirken des Prüfgenerators 1 mit einer zum Prüfen verbundenen Last ergeben, können bei der Bildung des Leistungssignals 12 berücksichtigt und ausgeglichen werden. Dazu wird eine Rückführung 15 des Ausgangssignals 13 vorgesehen, welche zu einem Spannungsregler an sich bekannter Art zur Regelung des Ausgangssignals 13 - durch Beeinflussung der Spannung U der Spannungsquelle 10, der Amplitude des Niederspannungs-Signalgenerators 2 und/oder des Dreiecksignals 7 - geführt ist.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Spannungsquelle 10 z.B. über eine einstellbare (variable) Spannung U zur Versorgung der Schaltstufe 9 verfügen und damit die Spannung des Leistungssignals 12 vorgeben. Eine alternative Möglichkeit zur Veränderung der Spannung des Leistungssignals 12 und des Ausgangssignals 13 besteht bei einer fixen Spannung U der Spannungsquelle 10 darin, die Pulsweiten des Leistungssignals 12 bzw. des Steuersignals 8 zu reduzieren; dadurch verringert sich die durchschnittliche Spannung des Leistungssignals 12 (und des Ausgangssignals 13) im Vergleich zu einer vollen Aussteuerung der Schaltstufe 9 ebenfalls, selbst wenn die Spannung der einzelnen Pulse des Leistungssignals 12 unverändert bleibt. Beispielsweise lässt sich eine derartige Spannungsanpassung durch Veränderung der Amplitude des Eingangssignals 5 bei unveränderter Amplitude des Dreiecksignals 7 (oder umgekehrt) erzielen, da sich daraus eine Veränderung des Pulsmusters des Steuersignals 8 ergibt.

Fig. 2 zeigt den Kern 16 des Hochspannungs-Transformators 4. Der Kern 16 setzt sich aus vier gleichartigen, C-förmigen

Profilen 17 mit einander zugewandten Schenkeln 18', 18" zusammen. Je zwei dieser eiförmigen Profile 17 des Kerns 16 bilden nebeneinanderliegend die Form eines „E"; je zwei C-Profile 17 können daher auch als E-Profil 19 betrachtet und z.B. einstük-kig ausgeführt sein. Der mittlere Schenkel 18' jedes E-Profils 19 verfügt über den doppelten Querschnitt im Vergleich zu den Außenschenkeln 18", um den in diesem Bereich auftretenden doppelten magnetischen Fluss aufnehmen zu können.

Der Transformator-Kern 16 wird bevorzugt so dimensioniert, dass er bei der gewählten Ausführung eine sehr hohe magnetische Flussdichte aufnimmt, ohne in Sättigung zu gehen. Er kann zu diesem Zweck als Ferritkern ausgeführt sein. Bevorzugt ist der Kern 16 jedoch als sogenannter Schnittbandkern aus vielen dünnen, gegeneinander isolierten Bändern 20 aufgebaut, welche beispielsweise auf einer nicht-kristallinen Eisenlegierung basieren. Luftspalte 21 zwischen den einander zugewandten Schenkeln 18', 18" der E-Profile 19 reduzieren die Gefahr der Sättigung des Transformator-Kerns 16, erhöhen aber umgekehrt den magnetischen Widerstand des Kerns 16 und werden daher bevorzugt vermieden, das heißt der Kern 16 wird bevorzugt luftspaltfrei aufgebaut.

Zur Aufnahme höherer magnetischer Flüsse kann der Transformatorkern 16 auch vervielfacht werden und dazu aus übereinander gestapelten C- bzw. E-Profilen 17, 19 aufgebaut sein, wobei die Transformatorwicklungen (nicht dargestellt) jeweils alle gestapelten Teile des Kerns 16 gemeinsam umfassen.

Fig. 3 zeigt eine der Hochfrequenz-Litzen 22, aus welchen die Niederspannungswicklung des Hochspannungs-Transformators 4 gewickelt ist, im Detail. Die Litze 22 hat einen rechteckigen Querschnitt und ist aus gegeneinander isolierten, verdrillten Einzelleitern 23 aus Flach- oder Runddraht gefertigt. Darüber hinaus weist die Hochfrequenz-Litze 22 eine umhüllende Isolation 24 auf.

Die Hochfrequenz-Litze 22 kann alternativ auch einen anderen, hochfrequenztauglichen Aufbau aufweisen, welcher geringe Verluste vorzugsweise bis in den Frequenzbereich von ca. 20 kHz hat.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst alle Varianten und Modifikationen, die in den Rahmen der angeschlossenen Ansprüche fallen .

Claims (10)

1. Patentansprüche: 1. Prüfgenerator zur hochfrequenten Hochspannungsprüfung von elektrischen Komponenten, gekennzeichnet durch einen PWM-Verstärker {3) , der in an sich bekannter Weise ein Eingangssignal (5) in Pulsweitenmodulation auf ein internes gepulstes Leistungssignal· {12} aufmoduliert und aus diesem über ein Tiefpassfilter ein Ausgangssignal (13) formt, welches das Eingangssignal (5) leistungsverstärkt wiedergibt, wobei an den Eingang des PWM-Verstärkers (3) der Ausgang eines durchstimmbaren Niederspannungs-Signalgenerators (2) angeschlossen ist, und wobei das genannte Tiefpassfilter durch einen aufwärts transformierenden Hochspannungs-Transformator (4) gebildet ist.
2. 2. Prüfgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungs-Transformator (4) einen Schnittbandkern (20) hat.
3. 3. Prüfgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungs-Transformator (4) zwei E-förmige Kerne (19) aufweist, die an ihren einander zugewandten Schenkeln (18’, 18") luftspaltfrei aneinander gefügt sind.
4. 4. Prüfgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederspannungswicklung des Hochspannungs-Transformators (4) als Hochfrequenz-Litze (22) mit rechteckigem Querschnitt aufgebaut ist. * · *
5. 5. Prüfgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Litze (22) aus gegeneinander isolierten, verdrillten Einzelleitern (23) gefertigt ist.
6. 6. Prüfgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederspannungs-Signalgenerator (2) ein etwa sinusförmiges Eingangssignal (5) im Frequenzbereich von 500 Hz bis 20 kHz erzeugt.
7. 7. Prüfgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das interne gepulste Leistungssignal (12) eine Pulsfrequenz im Bereich von 50 kHz bis 500 kHz, bevorzugt von 150 kHz bis 400 kHz, besonders bevorzugt etwa von 300 kHz, hat.
8. 8. Prüfgenerator nach einem der Ansprüche X bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungs-Transformator (4) ein Spannungs-Übersetzungsverhältnis von seiner Niederspan-nungs- zu seiner Hochspannungsseite im Bereich von 1:5 bis 1:100, bevorzugt von 1:10 bis 1:40, hat.
9. 9. Prüfgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungs-Transformator über eine geerdete Schirmung zwischen der Primär- und Sekundärseite verfügt.
10. 10. Prüfgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Hochspannungs- Transformators (4) über eine Rückführleitung (15) die Spannung des Leistungssignals (12) steuert, um die Ausgangsspannung des Prüfgenerators (1) lastunabhängig konstant zu halten.