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Die Erfindung betrifft ein Prüfsystem zur Durchführung einer Hochspannungsprüfung an einem Prüfling.
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Zur Prüfung der Hochspannungsfestigkeit oder Durchschlagsfestigkeit von Prüflingen wie zum Beispiel Hochspannungsanlagen und Hochspannungskomponenten können mitunter Schwingkreise, insbesondere Serienresonanzkreise, verwendet werden. Dabei stellt der Prüfling ein elektrisch kapazitiv wirkendes Prüfobjekt dar, welches mit einer Erregerquelle sowie einer oder mehrerer Prüfdrosseln zu einem Serienresonanzkreis verbunden werden. Im Resonanzfall stellen die Prüfdrosseln zur Überhöhung der über dem Prüfling abfallenden Spannung die benötigte Blindleistung zur Verfügung, während die Erregerquelle lediglich die relativ geringe Verlustleistung bereitstellen muss. Mit einer relativ geringen Erregerspannung, die beispielsweise im Bereich von wenigen V bis zu mehreren kV liegen kann, wird damit ein sehr hoher Spannungsabfall über dem Prüfling, beispielsweise mehreren 100 kV, erreicht. Die Erregung kann dabei mit konstanter oder variabler Erregerfrequenz erfolgen. Da die Resonanzbedingung von der Induktivität der Prüfdrossel abhängt, werden beispielsweise Prüfdrosseln mit verstellbarer Induktivität verwendet.
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Bei bekannten Prüfdrosseln wird die Stellung des Induktivitätswerts über einen variablen Luftspalt erzielt. Der Aktivteil solcher Prüfdrosseln weist einen verfahrbaren Kern mit beweglichen Teilen auf. Dies bedingt mechanischen Verschleiß, beispielsweise an Führungsnuten oder Gleitsteinen. Ferner entsteht durch die Vibration freischwingender Kernteile störende Schallemission. Dies, sowie auch die mechanische Belastung des Systems, ist vor allem im Fall der mechanischen Resonanz der Drossel besonders ausgeprägt, was zu stark erhöhtem Verschleiß oder Zerstörung der Drossel führen kann. Ebenfalls nachteilig ist eine Beeinflussung der mechanischen Eigenkreisfrequenz durch das Verstellen des Luftspalts. Ausbauchungen der Magnetfeldlinien im Bereich des Luftspalts führen zu Wirbelstromverlusten. Diese reduzieren die Güte der Prüfdrossel und des Schwingkreises und führen zu einer thermischen Überbelastung des Kerns.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept für ein Prüfsystem zur Durchführung einer Hochspannungsprüfung anzugeben, welches wenigstens die genannten Nachteile überwindet oder reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, die Nachteile bekannter Prüfsysteme und Prüfdrosseln durch Ausnutzung eines elektromagnetischen Stellprinzips zu vermeiden. Dabei wird in dem Prüfsystem eine Prüfdrossel mit einem Kern, der insbesondere als Festkernkonstruktion ausgebildet sein kann, und wenigstens einer Steuerwicklung verwendet, wobei die Steuerwicklung einen entsprechenden Teil des Kerns vollständig oder teilweise vormagnetisieren kann, insbesondere durch Erzeugung eines magnetischen Gleichflusses. Der Grad der Vormagnetisierung kann durch den Betrag eines in der Steuerwicklung fließenden Gleichstroms bestimmt werden und ermöglicht eine wertekontinuierliche Stellung der wirksamen Prüfdrosselinduktivität.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird ein Prüfsystem zur Durchführung einer Hochspannungsprüfung an einem Prüfling, insbesondere einem kapazitiv wirkenden Prüfling, angegeben, wobei das Prüfsystem eine Prüfdrossel mit elektromagnetisch einstellbarer Induktivität zur Bildung eines Schwingkreises mit dem Prüfling umfasst. Die Prüfdrossel umfasst einen Kern mit einem Schenkel und eine den Schenkel umgebende Hauptwicklung. Die Prüfdrossel weist außerdem wenigstens eine Steuerwicklung auf. Die Steuerwicklung dient zur Vormagnetisierung, insbesondere zur teilweisen oder vollständigen Vormagnetisierung, wenigstens eines Teils des Schenkels um die Induktivität der Prüfdrossel elektromagnetisch einzustellen, wobei jede der wenigstens einen Steuerwicklung wenigstens einen zugehörigen Teil des Schenkels umgibt.
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Der Schwingkreis ist insbesondere als Serienresonanzkreis, auch bezeichnet als Serienschwingkreis, Reihenschwingkreis oder Reihenresonanzkreis, oder als Parallelresonanzkreis, auch bezeichnet als Parallelschwingkreis, ausgebildet.
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Die Hauptwicklung ist anschließbar oder angeschlossen, insbesondere direkt oder über weitere Komponenten des Schwingkreises und/oder der Prüfdrossel, an eine Erregerquelle, insbesondere eine Wechselspannungsquelle. Die Erregerquelle ist dazu eingerichtet, eine Erregerspannung, insbesondere eine Wechselspannung und damit einen Wechselstrom, in der Hauptwicklung zu erzeugen, welcher zu einem magnetischen Fluss mit wechselnder Richtung, im Folgenden als Hauptfluss oder AC-Hauptfluss bezeichnet, in einem von der Hauptwicklung umgebenen Teil des Schenkels führt. Außerdem ist die Hauptwicklung anschließbar, insbesondere direkt oder über weitere Komponenten des Schwingkreises und/oder der Prüfdrossel, an den Prüfling.
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Die wenigstens eine Steuerwicklung ist anschließbar oder angeschlossen an eine Steuerquelle, insbesondere eine Gleichspannungsquelle, welche dazu eingerichtet ist, eine Steuerspannung, insbesondere eine Gleichspannung und damit einen Gleichstrom, in der wenigstens einen Steuerwicklung zu erzeugen, welcher zu einem magnetischen Fluss mit gleichbleibender Richtung, im Folgenden Steuerfluss oder DC-Steuerfluss genannt, in einem von der wenigstens einen Steuerwicklung umgebenen Teil des Schenkels führt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist der Kern oder der Schenkel als ferromagnetischer Kern beziehungsweise ferromagnetischer Schenkel ausgeführt.
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Durch den Steuerfluss wird der von der wenigstens einen Steuerwicklung umgebene Teil des Schenkels teilweise oder vollständig vormagnetisiert. Soweit der Steuerfluss und damit die Vormagnetisierung parallel, also in gleicher Richtung, oder antiparallel, also in entgegengesetzter Richtung, zum Hauptfluss orientiert sind, führt die Vormagnetisierung zu einer Verschiebung der Blochwände im ferromagnetischen Material des Schenkels. Dies kann auch als Verschiebungsmagnetisierung bezeichnet werden. Diese verändert, insbesondere erhöht, den magnetischen Widerstand des Schenkels und verändert, insbesondere verkleinert, damit die Induktivität der Prüfdrossel. Soweit der Steuerfluss und damit die Vormagnetisierung einen Anteil aufweisen, der orthogonal zum Hauptfluss orientiert ist, führt dies durch entsprechende Rotation von Elementarmagneten in dem Kern oder Schenkel ebenfalls zu einer Veränderung, insbesondere Erhöhung, des magnetischen Widerstands des Schenkels und damit zu einer Veränderung, insbesondere Verkleinerung, der die Induktivität der Prüfdrossel. Letzterer Mechanismus kann auch als Rotationsmagnetisierung bezeichnet werden.
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Ein mechanisch veränderbarer Luftspalt zu Induktionsverstellung ist damit nicht mehr notwendig, wodurch die oben genannten Nachteile eines bekannten Prüfsystems überwunden werden können.
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Gemäß zumindest einer Ausführung umfasst der Kern ein erstes und ein zweites Joch, den Schenkel, sowie wenigstens einen weiteren Schenkel. Der Schenkel und der wenigstens eine weitere Schenkel sind zwischen den Jochen angeordnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die wenigstens eine Steuerwicklung vollständig oder teilweise von der Hauptwicklung umgeben, so dass die wenigstens eine Steuerwicklung zwischen Hauptwicklung und Schenkel angeordnet ist. Der vormagnetisierte Teil des Schenkels wird also sowohl vom Hauptfluss wie auch vom Steuerfluss durchsetzt.
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Durch die Anordnung der Steuerwicklung innerhalb der Hauptwicklung werden Magnetfeldlinienausbauchungen und Streufelder beispielsweise in den Jochen vermieden. Dadurch werden Wirbelströme und lokale Heißstellen im Kern sowie daraus resultierende Verluste reduziert, was wiederum zu einer verbesserten Güte des Schwingkreises, also dem Verhältnis von Blindleistung zu Verlustleistung, führt. Außerdem führt diese Anordnung zu einer definierten Verteilung des Hauptflusses in der Steuerwicklung und vermeidet damit eine zusätzliche Belastung des Steuerkreises durch asymmetrische Spannungsinduktion.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Prüfdrossel als Rahmendrossel oder als Manteldrossel ausgeführt, also als Drossel mit Rahmenkern oder Mantelkern.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die Prüfdrossel als einphasige Drossel ausgeführt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Kern als festverspannter Kern oder als Festkern ausgeführt, wobei der Kern insbesondere frei von beweglichen Teilen ist. Dies wird durch das rein elektromagnetische Stellprinzip ermöglicht. Dadurch ist der konstruktive Aufbau des Prüfsystems besonders kostengünstig, fertigungstechnisch einfach umsetzbar und fehlerresistent.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die wenigstens eine Steuerwicklung und die Hauptwicklung so bezüglich einander angeordnet, dass in dem Teil des Schenkels ein mittels der wenigstens einen Steuerwicklung erzeugter Steuerfluss parallel oder antiparallel, also kollinear, zu dem Hauptfluss orientiert ist. Der Steuerfluss wird dabei insbesondere durch einen durch die wenigstens einen Steuerwicklung fließenden Steuerstrom erzeugt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst der Schenkel einen ersten und einen zweiten gesteuerten Bereich. Die wenigstens eine Steuerwicklung umfasst eine erste Steuerwicklung, welche den ersten gesteuerten Bereich umgibt, sowie eine zweite Steuerwicklung, welche den zweiten gesteuerten Bereich umgibt. Beispielsweise ist der erste gesteuerte Bereich nicht von der zweiten Steuerwicklung umgeben und der zweite gesteuerte Bereich nicht von der ersten Steuerwicklung umgeben.
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Ein erster Steuerstrom durch die erste Steuerwicklung erzeugt dabei eine erste magnetische Durchflutungskomponente in dem ersten gesteuerten Bereich. Der erste oder ein zweiter Steuerstrom durch die zweite Steuerwicklung erzeugt eine zweite magnetische Durchflutungskomponente in dem zweiten gesteuerten Bereich. Die erste und die zweite Durchflutungskomponente erzeugen den Steuerfluss. Dabei sind ein der ersten Durchflutungskomponente zugeordnetes erstes Magnetfeld sowie ein der zweiten Durchflutungskomponente zugeordnetes zweites Magnetfeld jeweils parallel oder antiparallel, also kollinear, zum Hauptfluss orientiert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Steuerwicklung derart angeordnet und/oder miteinander verschaltet, insbesondere miteinander und mit der Steuerquelle, dass das erste und das zweite entgegengesetzt zueinander orientiert sind, also in entgegengesetzte Raumrichtungen zeigen. Insbesondere sind der erste und der zweite gesteuerte Bereich parallel zueinander ausgerichtet.
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Insbesondere sind die erste und die zweite Steuerwicklung derart angeordnet und/oder ausgerichtet und/oder verschaltet, dass deren Wicklungssinn oder -richtung derart mit der Stromrichtung des von der Steuerquelle erzeugten Steuerstroms durch die jeweilige Steuerwicklung abgestimmt ist, dass das erste und zweite Magnetfeld in entgegengesetzte Raumrichtungen zeigen. Anders ausgedrückt sind die erste und die zweite Steuerwicklung antiseriell verschaltet. Gleichzeitig ist das erste Magnetfeld parallel und das zweite Magnetfeld antiparallel zum Hauptfluss orientiert, oder umgekehrt, abhängig von der momentanen Richtung des AC-Hauptflusses.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der erste und der zweite gesteuerte Bereich derart miteinander verbunden, dass durch das erste und das zweite Magnetfeld in dem Schenkel ein zirkulierender magnetischer Fluss, insbesondere Gleichfluss, entsteht. Beispielsweise bilden die gesteuerten Bereiche und solche Bereiche des Schenkels, welche die gesteuerten Bereiche miteinander verbinden, einen geschlossenen magnetischen Kreis. Insbesondere ist der Schenkel derart ausgebildet, dass der magnetische Kreis und/oder der Schenkel luftspaltfrei ist.
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Der erste und der zweite gesteuerte Bereich sind beispielsweise parallel zueinander ausgerichtet, so dass die Orientierung des ersten und des zweiten Magnetfelds in unterschiedliche Raumrichtungen zusammen mit der Verbindung der gesteuerten Bereiche dazu führen, dass sich durch die durch das erste und zweite Magnetfeld in dem Schenkel einstellenden magnetischen Flüsse kumulieren.
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Durch die beschriebene Anordnung und Verschaltung der ersten und zweiten Steuerwicklung wird eine Grundschwingung einer von dem AC-Hauptfluss in der ersten und zweiten Steuerwicklung induzierten Spannung teilweise oder vollständig eliminiert. Folglich wird eine Belastung der Steuerquelle mit Wechselspannung reduziert oder vermieden. Dadurch können Verluste in dem Steuerkreis sowie daraus resultierende Wärmeentwicklung reduziert werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Schenkel und/oder die gesteuerten Bereiche von den Jochen des Kerns durch Luftspalte getrennt, so dass der zirkulierende Gleichfluss von den Jochen entkoppelt ist und diese nicht oder im Wesentlichen nicht durchsetzt. Entsprechend dem üblichen Sprachgebrauch bei der Beschreibung magnetischer Kreise, impliziert hier und im Folgenden die Bezeichnung „Luftspalt“ nicht notwendigerweise einen mit Luft gefüllten Spalt. Vielmehr wird dadurch allgemein ein mit einem nichtferromagnetischen Material gefüllter Spalt bezeichnet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schenkel eine Ausnehmung auf, welche in einer Richtung, insbesondere senkrecht zum Hauptfluss, durchgehend ausgeführt ist. Die Ausnehmung ist derart angeordnet, dass sie von dem Schenkel, insbesondere dem magnetischen Material des Schenkels, vollständig umgeben ist, insbesondere in einer Ebene senkrecht zur genannten Richtung des Durchgangs. Der Schenkel weist also einen geschlossenen Pfad aus magnetischem Material auf, welcher die Ausnehmung umläuft. Anders ausgedrückt ist der Schenkel beispielsweise ringförmig ausgeführt oder weist eine Ringtopologie auf. Ringförmig ist dabei nicht notwendigerweise als kreisringförmig zu verstehen, vielmehr kann die Kontur des Rings auch anders, beispielsweise rechteckig, ausgeführt sein.
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Erster und zweiter gesteuerter Bereich des Schenkels entsprechen unterschiedlichen Bereichen des Schenkels, insbesondere des magnetischen Materials des Schenkels, die miteinander verbunden sind. Die erste und zweite Steuerwicklung sind jeweils durch die Ausnehmung durchgeführt und umgeben jeweils den ersten beziehungsweise des zweiten gesteuerten Bereich.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Prüfdrossel eine erste Ausgleichswicklung, welche den ersten gesteuerten Bereich zumindest teilweise umgibt und eine zweite Ausgleichswicklung, welche den zweiten gesteuerten Bereich zumindest teilweise umgibt. Ein erstes Ende der ersten Ausgleichswicklung ist mit einem ersten Ende der zweiten Ausgleichswicklung elektrisch verbunden und ein zweites Ende der ersten Ausgleichswicklung ist mit einem zweiten Ende der zweiten Ausgleichswicklung elektrisch verbunden. Anders ausgedrückt sind die Ausgleichswicklungen parallel miteinander verschaltet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Ausgleichswicklungen mit gleichem Wickelsinn um die beiden gesteuerten Bereiche, die insbesondere parallel zueinander ausgerichtet sind, angeordnet. Beispielsweise sind die ersten Enden der ersten und zweiten Ausgleichswicklung dem ersten Joch zugewandt und die zweiten Enden der ersten und zweiten Ausgleichswicklung sind dem zweiten Joch zugewandt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Ausgleichswicklungen galvanisch getrennt von den Steuerwicklungen und der Hauptwicklung.
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Wären die jeweiligen Enden der Ausgleichswicklungen nicht wie oben ausgeführt miteinander verbunden, so würden aufgrund elektromagnetischer Induktion bei einer zeitlichen Veränderung des Hauptflusses unterschiedliche elektrische Potentiale an den Enden der Ausgleichswicklungen entstehen. Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Ausgleichswicklung derart angeordnet und miteinander verschaltet, dass, wenn das Potential am ersten Ende der ersten Ausgleichswicklung größer ist als das Potential am zweiten Ende der ersten Ausgleichswicklung, das Potential am ersten Ende der zweiten Ausgleichswicklung ebenfalls größer ist als das Potential am zweiten Ende der zweiten Ausgleichswicklung. Umgekehrt ist, wenn das Potential am ersten Ende der ersten Ausgleichswicklung kleiner ist als das Potential am zweiten Ende der ersten Ausgleichswicklung, das Potential am ersten Ende der zweiten Ausgleichswicklung ebenfalls kleiner als das Potential am zweiten Ende der zweiten Ausgleichswicklung.
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Eine nichtlineare Magnetisierungscharakteristik des Kerns kann grundsätzlich zu einem Anteil in der in den Steuerwicklungen induzierten Spannung führen, dessen Frequenz der doppelten Grundfrequenz der Erregung entspricht. Durch die Verschaltung der Ausgleichswicklungen wird auf magnetischer Ebene ein Stromteiler zwischen den Steuerwicklungen und den Ausgleichswicklungen aufgebaut. Da die Spannungsanteile mit doppelter Grundfrequenz auch in den Ausgleichswicklungen induziert werden, kann in den Ausgleichswicklungen ein entsprechender Ausgleichsstrom fließen, welcher die Anteile mit doppelter Grundfrequenz wenigstens zum Teil kompensiert. Dadurch wird der Steuerkreis entlastet und Strom-Wärme-Verluste, welche zu einer Verschlechterung der Leistungsbilanz beziehungsweise der Güte des Schwingkreises führen, werden reduziert.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist die erste Ausgleichswicklung zwischen dem Schenkel, insbesondere dem ersten gesteuerten Bereich, und der ersten Steuerwicklung angeordnet und die zweite Ausgleichswicklung ist zwischen dem Schenkel, insbesondere dem zweiten gesteuerten Bereich, und der zweiten Steuerwicklung angeordnet.
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Dadurch können die Ausgleichswicklungen besonders kernnah angeordnet werden, was zu kürzeren Wicklungsleitungen und damit zu verringertem Widerstand beziehungsweise verringerter Impedanz der Ausgleichswicklungen führt. Dies ermöglicht eine besonders effektive und effiziente Erzeugung der Ausgleichsströme.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen der erste und/oder der zweite gesteuerte Bereich jeweils einen verjüngten Bereich auf. Bei dem verjüngten Bereich handelt es sich beispielsweise um Abschnitte des jeweiligen Schenkelteils, die aus mehreren Unterabschnitten verschiedenen Querschnitts und gleicher oder verschiedener Länge bestehen.
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Das nichtlineare Magnetisierungsverhalten des Kerns bedingt, dass bei sinusförmiger Erregerflussdichte, welche proportional zu der von der Erregerquelle erzeugten Spannung ist, die zugehörige magnetische Feldstärke, welche proportional zum resultierenden Drosselstrom ist, nicht sinusförmig ist. Dies führt zu einem erhöhten Stromoberschwingungsbedarf der Prüfdrossel. Durch die verjüngten Bereiche kann der Stromoberschwingungsbedarf maßgeblich verringert werden, ohne dass ein Leerlaufstrom, also eine maximale Induktivität, der Prüfdrossel beeinflusst wird. Dabei können Optimierungsrechnungen angewendet werden, um optimierte Werte für die Anzahl, Querschnittsflächen und Längen der Unterabschnitte zu bestimmen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die wenigstens eine Steuerwicklung und die Hauptwicklung so bezüglich einander angeordnet, dass in dem Teil des Schenkels der mittels der wenigstens einen Steuerwicklung erzeugte Steuerfluss orthogonal zum Hauptfluss orientiert ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der Schenkel derart ausgeformt und die wenigstens eine Steuerwicklung ist derart angeordnet und eingerichtet, dass ein geschlossener magnetischer Kreis zur Führung des Steuerflusses gebildet wird, wobei der Steuerfluss entlang des gesamten geschlossenen magnetischen Kreises orthogonal zum Hauptfluss orientiert ist.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schenkel einen ersten Hauptteil zur Führung des Hauptflusses sowie einen Rückschlusspfad zur Führung des Steuerflusses orthogonal zum Hauptfluss auf, wobei der Rückschlusspfad beispielsweise ferromagnetisches Material umfasst. Der Rückschlusspfad bildet zusammen mit dem ersten Hauptteil, insbesondere einem Teil des ersten Hauptteils, einen geschlossenen magnetischen Kreis zur Führung des Steuerflusses.
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Die Führung des Hauptflusses erfolgt entlang einer Längsrichtung, also einer Richtung vom ersten zum zweiten Joch oder umgekehrt, des Schenkels, insbesondere des ersten Hauptteils. Beispielsweise erstreckt sich der erste Hauptteil von dem ersten Joch bis zu dem zweiten Joch.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der erste Hauptteil, insbesondere in Richtung des Hauptflusses, keinen Luftspalt auf. Beispielsweise ist der erste Hauptteil luftspaltfrei mit dem ersten und dem zweiten Joch verbunden. Da solche Luftspalte den maximal erreichbaren Induktivitätswert der Prüfdrossel verringern würden, wird dadurch ein besonders hoher Stellbereich der Induktivität erzielt.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Rückschlusspfad wenigstens eine bogenförmige oder U-förmige Komponente zur Verbindung zweier gegenüberliegender Seitenflächen des ersten Hauptteils auf.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schenkel einen zweiten Hauptteil zur Führung des Hauptflusses auf. Der Schenkel weist außerdem wenigstens zwei zumindest teilweise bogenförmige oder U-förmige Komponenten auf, welche jeweils eine Seitenfläche des ersten Hauptteils mit einer Seitenfläche des zweiten Hauptteils verbinden um den geschlossenen magnetischen Kreis zu bilden. Der Rückschlusspfad wird dann beispielsweise gebildet durch die bogenförmigen Komponenten und den zweiten Hauptteil, insbesondere einen Teil des zweiten Hauptteils.
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Die Hauptteile weisen dabei jeweils zwei stirnseitige Flächen auf, die in Richtung jeweils eines der Joche zeigen. Seitenflächen der Hauptteile bezeichnen von den stirnseitigen Flächen verschiedene Flächen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform ist der erste und/oder der zweite Hauptteil quaderförmig ausgebildet.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist der Schenkel wenigstens einen weiteren Rückschlusspfad zur Führung des Steuerflusses orthogonal zum Hauptfluss auf. Der wenigstens einer weitere Rückschlusspfad bildet zusammen mit dem ersten Hauptteil wenigstens einen weiteren geschlossenen magnetischen Kreis. Der wenigstens eine weitere Rückschlusspfad ist insbesondere ausgebildet wie der Rückschlusspfad.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind der Rückschlusspfad und/oder die weiteren Rückschlusspfade sowie Verbindungen des Rückschlusspfads mit dem ersten Hauptteil und/oder Verbindungen der weiteren Rückschlusspfade mit dem ersten Hauptteil entlang des jeweiligen geschlossenen magnetischen Kreises, also entlang der Richtung in der der Steuerfluss geführt wird, luftspaltfrei ausgebildet. In entsprechenden Ausführungsformen sind zusätzlich oder alternativ Verbindungen des Rückschlusspfads mit dem zweiten Hauptteil und/oder Verbindungen der weiteren Rückschlusspfade mit dem zweiten Hauptteil entlang des geschlossenen magnetischen Kreises, also entlang der Richtung in der der Steuerfluss geführt wird, luftspaltfrei ausgebildet. Insbesondere befinden sich keine Luftspalte zwischen den bogenförmigen Komponenten und dem ersten und/oder zweiten Hauptteil.
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Dadurch wird der durch den ersten Hauptteil und Rückschlusspfad gebildete geschlossene magnetische Kreis luftspaltfrei. Dies führt zu einer Reduzierung von Verlusten im Steuerkreis. Wären Luftspalte im genannten magnetischen Kreis vorhanden, müssten aufgrund der kleineren magnetischen Permeabilität des Luftspaltmaterials wesentlich höhere Ströme erzeugt werden um die erforderliche Flussdichte des Steuerflusses zu erzielen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die bogenförmigen Komponenten des Rückschlusspfads und der weiteren Rückschlusspfade jeweils durch Luftspalte voneinander getrennt. Dadurch wird erreicht, dass die bogenförmigen Komponenten nicht oder kaum vom Hauptfluss durchsetzt werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Schenkel und/oder der erste Hauptteil und/ oder der zweite Hauptteil amorphes Bandmaterial.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform beinhaltet der Schenkel und/oder der erste Hauptteil und/ oder der zweite Hauptteil Material mit magnetischer Vorzugsrichtung, wobei die magnetische Vorzugsrichtung parallel oder antiparallel zum Hauptfluss orientiert ist. In Ausführungsformen mit Steuerfluss orthogonal zum Hauptfluss ist der Steuerfluss dann in dem ersten und/oder zweiten Hauptteil orthogonal zur magnetischen Vorzugsrichtung orientiert. solche Schenkel und/oder Hauptteile eignen sich in besonderer Weise zur Realisierung der Rotationsmagnetisierung. Beispielsweise kann der Schenkel und/oder der erste und/oder der zweite Hauptteil aus kornorientiertem Elektro- oder Transformatorenblech gefertigt, insbesondere aus entsprechenden Blechstapeln.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform besteht das Prüfsystem aus der Prüfdrossel.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Prüfsystem die Erregerquelle, welche mit der Hauptwicklung verbunden und zur Erzeugung der Erregerspannung eingerichtet ist und/oder die Steuerquelle, welche mit der wenigstens einen Steuerwicklung verbunden und zur Erzeugung der Steuerspannung und damit des Steuerstroms eingerichtet ist. Insbesondere umfasst der Schwingkreis die Erregerquelle, die Prüfdrossel und den Prüfling. Dabei sind Erregerquelle, Prüfdrossel und Prüfling insbesondere in Reihe oder parallel schaltbar. Umfasst die Prüfdrossel mehrere Steuerwicklungen, können alle Steuerwicklungen an eine Steuerquelle angeschlossen werden. Alternativ können mehrere Steuerquellen verwendet werden um jeweils an eine oder mehrere Steuerwicklungen angeschlossen zu werden.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Prüfsystem wenigstens eine weitere Prüfdrossel, welche insbesondere wie die Prüfdrossel ausgeführt ist. Die wenigstens eine weitere Prüfdrossel ist mit der Prüfdrossel in dem Schwingkreis parallel und/oder in Reihe geschaltet beispielsweise zur Bildung einer Prüfdrosselkaskade.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst die Prüfdrossel eine weitere Hauptwicklung, welche einen weiteren Schenkel des Kerns umgibt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform umfasst die Prüfdrossel wenigstens eine weitere Steuerwicklung zur Vormagnetisierung wenigstens eines Teils des weiteren Schenkels um die Induktivität der Prüfdrossel elektromagnetisch einzustellen. An die Stelle des weiteren Schenkels kann hier auch ein Bereich des Schenkels treten, der von der Hauptwicklung nicht umgeben ist. Die weitere Hauptwicklung ist in diesem Fall beispielsweise axial über oder unter der Hauptwicklung angeordnet. Weitere Ausführungen ergeben sich für den Fachmann unmittelbar aus der analogen Anwendung der beschriebenen Ausführungsformen.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Prüfdrossel ein Gehäuse auf, welches beispielsweise wenigstens zum Teil aus Metall besteht.
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Das Gehäuse kann zum Beispiel auf Erdpotential oder auf einem davon abweichenden elektrischen Potential liegen. Der Kern kann beispielsweise auf Erdpotential liegen oder auf dem elektrischen Potential des Gehäuses oder einem elektrischen Potential der Hauptwicklung und/oder der weiteren Hauptwicklung oder auf einem elektrischen Potential zwischen Erdpotential und Potential der Hauptwicklung oder weiteren Hauptwicklung.
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Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Gehäuse mindestens einen Hochspannungsanschluss zur Kontaktierung der Hauptwicklung auf, insbesondere zur Verbindung der Hauptwicklung mit der Erregerquelle.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen
- 1A und 1B Blockschaltbilder eines Reihenschwingkreises und eines Parallelschwingkreises jeweils mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept;
- 2A bis 2E verschiedene Ansichten einer beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept;
- 3A bis 3D verschiedene Ansichten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept;
- 4A bis 4D verschiedene Ansichten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept; und
- 5A bis 5D verschiedene Ansichten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept.
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1A und 1B zeigen Blockschaltbilder von Schwingkreisen, insbesondere eines Serienresonanzkreises in 1A und eines Parallelschwingkreises in 1B, mit einer beispielhaften Ausführungsform eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept.
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Der jeweilige Schwingkreis umfasst eine Erregerquelle EQ, die als Wechselspannungsquelle ausgebildet ist, eine Prüfdrossel PD sowie einen mit der Prüfdrossel in Reihe ( 1A) beziehungsweise parallel (1B) geschalteten Prüfling PR mit einer Prüflingskapazität. Eine Steuerquelle SQ, die als Gleichspannungsquelle ausgeführt ist, ist mit der Prüfdrossel verbunden. Optional können in jedem der Schwingkreise weitere Prüfdrosseln mit der Prüfdrossel PD in Reihe und/oder parallel geschaltet sein, die beispielsweise ausgeführt sind wie die Prüfdrossel PD. Des Weiteren kann der Schwingkreis weitere nicht gezeigte Komponenten umfassen. Das Prüfsystem umfasst die Prüfdrossel PD. Optional kann das Prüfsystem die weiteren Prüfdrosseln, die Erregerquelle EQ und/oder die Steuerquelle SQ umfassen. Eine Prüfanordnung umfasst das Prüfsystem und den Prüfling.
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Die Erregerquelle EQ ist beispielsweise mit einer Hauptwicklung der Prüfdrossel PD verbunden. Im Betrieb wird eine Erregerspannung, insbesondere eine Wechselspannung, von der Erregerquelle EQ bereitgestellt, die über der Reihenschaltung beziehungsweise Parallelschaltung von Prüfdrossel PD und Prüfling PR abfällt. Im Resonanzfall fällt über dem Prüfling PR eine Prüfspannung ab, deren Betrag größer ist als der der Erregerspannung, so dass es zu einer Spannungsüberhöhung kommt. Die Güte des Schwingkreises, also das Verhältnis von Prüfblindleistung zu Verlustleistung des Schwingkreises, entspricht dem Verhältnis der Prüfspannung zur Erregerspannung.
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Um die Resonanzbedingung beispielsweise an die Kapazität der Prüflings PR und/oder die Frequenz der Erregerspannung anzupassen, ist die Induktivität der Prüfdrossel PR elektromagnetisch einstellbar. Dazu kann die Steuerquelle SQ mit einer Steuerwicklung der Prüfdrossel PD verbunden werden um mittels einer von der Steuerquelle bereitgestellten Steuerspannung wenigstens einen Teil eines Schenkels der Prüfdrossel PD vorzumagnetisieren und damit die Induktivität einzustellen.
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Verschiedene Ausführungsformen der Prüfdrossel PD und/oder der weiteren Prüfdrosseln werden nun bezüglich der 2A - 5D genauer beschrieben.
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2A bis 2E zeigen verschiedene Ansichten einer beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel PD eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept, wie sie beispielsweise in der Ausführungsform von 1 eingesetzt werden kann. Dabei zeigen 2A und 2B perspektivische Ansichten der Prüfdrossel, insbesondere deren Aktivteil, 2C eine Vorderansicht, 2D eine Rückansicht und 2E eine Draufsicht.
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Die Prüfdrossel ist beispielhaft als Drossel mit Mantelkern ausgeführt. Die Prüfdrossel umfasst einen Kern, insbesondere einen festverspannten Kern, mit einem ersten und einem zweiten Joch J1, J2 und drei Schenkeln S1, S2, S3, welche nebeneinander angeordnet sind und sich zwischen den Jochen J1, J2 erstrecken. Der erste oder mittlere Schenkel S1, welcher beispielsweise zwischen zweitem und dritten, also den äußeren, Schenkeln S2, S3 angeordnet ist, ist von der Hauptwicklung HW der Prüfdrossel umgeben. Im Betrieb wird durch die Spannung über der Hauptwicklung HW ein magnetischer Hauptfluss Φh erzeugt, welcher sich durch die Schenkel S1, S2, S3 und die Joche J1, J2 schließt. Der Hauptfluss Φh wird von den Jochen J1, J2 und den äußeren Schenkeln S2, S3 geführt, so dass ein geschlossener magnetischer Kreis für den Hauptfluss, im Folgenden auch als Hauptkreis bezeichnet, entsteht. Der magnetische Hauptkreis kann optional einen oder mehrere Luftspalte beispielsweise zur Definition einer oberen Grenze des Induktivitätswertebereichs der Prüfdrossel aufweisen. Die Richtung des Hauptflusses Φh ist in 2C beispielhaft durch einen Pfeil mit Strichpunktlinie dargestellt. In 2B bis 2E ist die Hauptwicklung nur aus Darstellungsgründen nicht gezeigt. Dasselbe gilt für das erste Joch J1 in 2E.
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Der erste Schenkel S1 umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Hauptteil H1, H2, H3, welche insbesondere quaderförmig ausgebildet sind, beispielsweise als Elektroblechpakete, die sich jeweils vollständig zwischen dem ersten und dem zweiten Joch J1, J2 erstrecken und daher diese beispielswiese magnetisch miteinander verbinden. Dabei sind die Hauptteile H1, H2, H3 nebeneinander angeordnet, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zur Anordnung der Schenkel S1, S2, S3 zueinander.
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Der erste Schenkel S1 weist außerdem eine erste bogenförmige oder U-förmige Komponente B1 auf, welche einen Teilbereich einer ersten Seitenfläche des ersten Hauptteils H1 mit einem Teilbereich einer ersten Seitenfläche des zweiten Hauptteils H2 verbindet, wobei die ersten Seitenflächen zum Beispiel benachbart zueinander angeordnet sind. Zudem weist der erste Schenkel S1 eine zweite bogenförmige oder U-förmige Komponente B2 auf, welche einen Teilbereich einer zweiten Seitenfläche des ersten Hauptteils H1 mit einem Teilbereich einer zweiten Seitenfläche des zweiten Hauptteils H2 verbindet, wobei die zweiten Seitenflächen zum Beispiel benachbart zueinander angeordnet sind. Die ersten und zweiten Seitenflächen sind dabei beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten der jeweiligen Hauptteile H1, H2 angeordnet. Zwei weitere bogenförmige Komponenten B1', B2' verbinden den ersten Hauptteil H1 mit dem dritten Hauptteil H3 wie bezüglich der Verbindung des ersten H1 mit dem zweiten Hauptteil H2 durch die bogenförmigen Komponenten B1, B2 beschrieben. Dabei sind die weiteren bogenförmige Komponenten B1', B2' beispielsweise auf gleicher Höhe zwischen den Jochen J1, J2 angeordnet.
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Die Prüfdrossel PD weist eine erste Steuerwicklung W1 auf, welche einen Teil der ersten bogenförmigen Komponente B1 umgibt. Außerdem umgibt die erste Steuerwicklung W1 einen Teil der ersten weiteren bogenförmigen Komponente B1'. Die Prüfdrossel PD weist eine zweite Steuerwicklung W2 auf, welche einen Teil der zweiten bogenförmigen Komponente B2 sowie einen Teil der zweiten weiteren bogenförmigen Komponente B2' umgibt. Die Steuerwicklungen W1, W2 sind beispielsweise an die Steuerquelle SQ (nicht gezeigt) angeschlossen.
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Wenn die Steuerquelle SQ an den Steuerwicklungen W1, W2 die Steuerspannung bereitstellt, wird in den von den Steuerwicklungen W1, W2 umgebenen Teilen der bogenförmigen Komponenten B1, B2 ein magnetischer Fluss erzeugt, der durch einen Rückschlusspfad, der durch die bogenförmigen Komponenten B1, B2 sowie einen entsprechenden Bereich des zweiten Hauptteils H2 gebildet wird, und einen entsprechenden Bereich des ersten Hauptteils H1 geführt wird, so dass ein geschlossener magnetischer Kreis, insbesondere Steuerkreis, entsteht. Die Steuerwicklungen W1, W2 sind dabei derart verschaltet und angeordnet, dass die von beiden Wicklungen W1, W2 erzeugten Beiträge zum Steuerfluss Φs entlang des magnetischen Steuerkreises in dieselbe Richtung weisen. Die Richtung des Steuerflusses Φs ist in 2E beispielhaft durch eine Strichpunktlinie mit Pfeilen dargestellt. Aus der beschriebenen Anordnung folgt, dass der Steuerfluss Φs stets orthogonal zu dem Hauptfluss Φh im ersten Schenkel S1 orientiert ist. Ein analoger weiterer magnetischer Steuerkreis wird in analoger Weise durch die weiteren bogenförmigen Komponenten B1', B2' sowie entsprechende Bereiche des ersten und des dritten Hauptteils H1, H3 gebildet.
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Die bogenförmigen Komponenten B1, B2, B1', B2' können beispielsweise als Schnittbandkerne ausgeführt sein. In Ausführungsformen in denen einer oder mehrere der Hauptteile H1, H2, H3 als Elektroblechpakte mit kornorientiertem Material mit einer magnetischen Vorzugsrichtung parallel zum Hauptfluss Φh ausgebildet sind, wirken die Steuerflüsse Φs im Bereich der entsprechenden Hauptteile H1, H2, H3 orthogonal beziehungsweise quer zur Vorzugsrichtungen. Die magnetischen Steuerkreise sind vorzugsweise luftspaltfrei ausgeführt, was durch die beschriebene Konstruktion aus Hauptteilen H1, H2, H3 in Kombination mit den jeweiligen bogenförmigen Komponenten B1, B2, B1', B2' ermöglicht wird. Insbesondere kann die luftspaltlose Ausführung durch Ausgestaltung der Hauptteile H1, H2, H3 sowie der bogenförmigen Komponenten B1, B2, B1', B2' als Elektroblechpakete, welche direkt aneinander angeordnet sind, erzielt werden. Dadurch wird ein magnetischer Spannungsfall in den magnetischen Steuerkreisen reduziert.
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Es ist für den Fachmann unmittelbar ersichtlich, dass die zweite Steuerwicklung W2 nicht zwingend erforderlich ist. Entsprechendes gilt für den weiteren magnetischen Steuerkreis, so dass auch die weiteren bogenförmigen Komponenten B1', B2', und der dritte Hauptteil H3 optional sind.
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Die in den 2A bis 2D gezeigten Prüfdrossel weisen beispielsweise optionale bogenförmige Komponenten B3 und B4 auf, welche in axialer Richtung des ersten Schenkels S1 benachbart zu jeweils einer der bogenförmige Komponenten B1 und B2 angeordnet sind und von diesen beispielsweise durch Luftspalte getrennt sind. Die bogenförmigen Komponenten B3 und B4 sind analog wie oben bezüglich den bogenförmige Komponenten B1 und B2 beschrieben mit den Hauptteilen H1, H2 verbunden. Zwei ebenfalls optionale weitere bogenförmige Komponenten B3', B4'' sind in axialer Richtung des ersten Schenkels S1 benachbart zu jeweils einer der bogenförmige Komponenten B1' und B2' angeordnet und von diesen beispielsweise durch Luftspalte getrennt und in analoger Weise mit den Hauptteilen H1, H3 verbunden. Optionale weitere Steuerwicklungen W3, W4 sind analog zu den Steuerwicklungen W1, W2 angeordnet und können mit der Steuerquelle SQ verbunden werden. Dadurch können weitere magnetische Steuerkreise erreicht werden. Die obigen Ausführungen gelten für diese analog.
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Die in den 2A bis 2D gezeigten Prüfdrossel weisen beispielsweise weitere optionale bogenförmige Komponenten B5 und B6 auf, welche in axialer Richtung des ersten Schenkels S1 benachbart zu jeweils einer der bogenförmige Komponenten B3 und B4 angeordnet sind und von diesen beispielsweise durch Luftspalte getrennt sind. Die bogenförmigen Komponenten B5 und B6 sind analog wie oben bezüglich den bogenförmige Komponenten B1 und B2 beschrieben mit den Hauptteilen H1, H2 verbunden. Zwei ebenfalls optionale weitere bogenförmige Komponenten B5', B6' sind in axialer Richtung des ersten Schenkels S1 benachbart zu jeweils einer der bogenförmige Komponenten B3' und B4' angeordnet und von diesen beispielsweise durch Luftspalte getrennt und in analoger Weise mit den Hauptteilen H1, H3 verbunden. Optionale weitere Steuerwicklungen W5, W6 sind analog zu den Steuerwicklungen W1, W2 angeordnet und können mit der Steuerquelle SQ verbunden werden. Dadurch können weitere magnetische Steuerkreise erreicht werden. Die obigen Ausführungen gelten für diese analog.
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In weiteren Ausführungsformen sind beliebig viele Stufen von bogenförmigen Elementen und zugehörigen Steuerwicklungen wie oben beschrieben vorgesehen.
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Durch den oder die magnetischen Steuerkreise wird der erste Schenkel S1 wenigstens teilweise vormagnetisiert. Insbesondere werden die Hauptteile H1, H2 und falls vorgesehen H3 wenigstens teilweise vormagnetisiert. Der magnetische Widerstand für den magnetischen Hauptkreis wird dadurch erhöht, was zu einer verringerten Induktivität der Prüfdrossel führt. Auf diese Weise kann die Induktivität der Prüfdrossel elektromagnetisch, insbesondere ohne mechanisch verstellbaren Luftspalt, eingestellt werden.
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3A bis 3D zeigen verschiedene Ansichten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel PD eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept, wie sie beispielsweise in der Ausführungsform von 1 eingesetzt werden kann. Dabei zeigen 3A und 3B perspektivische Ansichten der Prüfdrossel, insbesondere deren Aktivteil, 3C eine Vorderansicht und 3D eine Draufsicht.
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Die Prüfdrossel ist beispielhaft als Drossel mit Rahmenkern ausgeführt. Die Prüfdrossel umfasst einen Kern, insbesondere einen festverspannten Kern, mit einem ersten und einem zweiten Joch J1, J2 und zwei Schenkel S1, S2 welche nebeneinander angeordnet sind und sich zwischen den Jochen J1, J2 erstrecken. Die erste Schenkel S1 ist von der Hauptwicklung HW und der zweite Schenkel von einer weiteren Hauptwicklung HW' der Prüfdrossel umgeben. Im Betrieb wird durch die Spannung über den Hauptwicklungen HW, HW' ein magnetischer Hauptfluss Φh erzeugt, insbesondere in dem ersten und dem zweiten Schenkel S1, S2. Der Hauptfluss Φh wird von den Jochen J1, J2 und den Schenkeln S1, S2 geführt, so dass ein geschlossener magnetischer Kreis für den Hauptfluss, im Folgenden auch als Hauptkreis bezeichnet, entsteht. Der magnetische Hauptkreis kann optional einen oder mehrere Luftspalte beispielsweise zur Definition einer oberen Grenze des Induktivitätswertebereichs der Prüfdrossel aufweisen. Die Richtung des Hauptflusses Φh im ersten Schenkel S1 ist in 3C beispielhaft durch einen Pfeil mit Strichpunktlinie dargestellt. Der Hauptfluss wird in den beiden Schenkeln S1, S2 derart erzeugt, dass er entlang des magnetischen Hauptkreises immer in dieselbe Richtung orientiert ist. In 3B bis 3D ist die Hauptwicklung nur aus Darstellungsgründen nicht gezeigt. Dasselbe gilt für das erste Joch J1 in 3D.
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Der Aufbau des ersten und des zweiten Schenkels S1, S2 ist jeweils analog zum ersten Schenkel S1 der Ausführungsformen aus den 2A bis 2E. Die Funktionsweise der Prüfdrossel ist ebenfalls analog zu der bezüglich 2A bis 2E beschriebenen, lediglich der Rückschluss des Hauptflusses Φh erfolgt entsprechend entlang der beiden Schenkel S1, S2 und Joche J1, J2, wie bei Rahmendrosseln üblich.
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In alternativen Ausführungsformen wird der zweite Schenkel S2 nicht zur Induktivitätseinstellung genutzt. Er ist dann als konventioneller Schenkel ausgeführt, beispielsweise als einziges Elektroblechpaket. Die weitere Hauptwicklung HW' ist in solchen Ausführungsformen optional.
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4A bis 4D zeigen verschiedene Ansichten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel PD eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept, wie sie beispielsweise in der Ausführungsform von 1 eingesetzt werden kann. Dabei zeigen 4A und 4B perspektivische Ansichten der Prüfdrossel, insbesondere deren Aktivteil, 4C eine Vorderansicht und 4D eine Draufsicht.
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Die Prüfdrossel ist beispielhaft als Drossel mit Mantelkern ausgeführt. Die Prüfdrossel umfasst einen Kern, insbesondere einen festverspannten Kern, mit einem ersten und einem zweiten Joch J1, J2 und drei Schenkel S1, S2, S3, welche nebeneinander angeordnet sind und sich zwischen den Jochen J1, J2 erstrecken. Die erste oder mittlere Schenkel S1, welcher beispielsweise zwischen zweiten und dritten, also den äußeren, Schenkeln S2, S3 angeordnet ist, ist von der Hauptwicklung HW der Prüfdrossel umgeben. Im Betrieb wird durch die Spannung über der Hauptwicklung HW ein magnetischer Hauptfluss Φh erzeugt, welcher sich durch die Schenkel S1, S2, S3 und die Joche J1, J2 schließt.. Der Hauptfluss Φh wird von den Jochen J1, J2 und den äußeren Schenkeln S2, S3 geführt, so dass ein geschlossener magnetischer Kreis für den Hauptfluss, im Folgenden auch als Hauptkreis bezeichnet, entsteht. Der magnetische Hauptkreis kann optional einen oder mehrere Luftspalte beispielsweise zur Definition einer oberen Grenze des Induktivitätswertebereichs der Prüfdrossel aufweisen Die Richtung des Hauptflusses Φh im ersten Schenkel S1 ist in 4C beispielhaft durch einen Pfeil mit Strichpunktlinie dargestellt. In 4B bis 4D ist die Hauptwicklung nur aus Darstellungsgründen nicht gezeigt. Dasselbe gilt für das erste Joch J1 in 4D.
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Der erste Schenkel S1 weist eine Ausnehmung AN auf, welche in einer Richtung senkrecht zum Hauptfluss Φh vollständig durch den ersten Schenkel S1 verläuft. Der erste Schenkel S1 weist daher zwei nebeneinander angeordnete Teilschenkel auf, welche an ihren jeweiligen Enden magnetisch leitend verbunden sind. Um einen Teil des ersten Teilschenkels herum, welcher einem ersten gesteuerten Bereich G1 des ersten Schenkels S1 entspricht, ist eine erste Steuerwicklung W1 angeordnet und um einen Teil des zweiten herum Teilschenkels, welcher einem zweiten gesteuerten Bereich G2 des ersten Schenkels S1 entspricht, ist eine zweite Steuerwicklung W2 angeordnet. Die Steuerwicklungen W1, W2 sind beispielsweise an die Steuerquelle SQ (nicht gezeigt) angeschlossen.
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Die Steuerwicklungen W1, W2 sind derart miteinander und mit der Steuerquelle SQ verschaltet und, insbesondere hinsichtlich ihres jeweiligen Wickelsinnes, ausgerichtet, dass die durch Anlegen der Steuerspannung im Inneren der ersten Steuerwicklung W1 ein Magnetfeld entsteht, welches in Richtung des ersten Jochs J1 zeigt und im Inneren der zweiten Steuerwicklung W2 ein Magnetfeld entsteht, welches in Richtung des zweiten Jochs J2 zeigt oder umgekehrt. Dadurch werden die in dem ersten Schenkel S1 durch die Steuerwicklung erzeugten Steuerflüsse kumuliert, so dass ein zirkulierender Gleichfluss als Steuerfluss Φs entsteht. Der Steuerfluss Φs wird entlang eines geschlossenen magnetischen Kreises, insbesondere Steuerkreises, geführt. Der magnetische Steuerkreis ist beispielsweise luftspaltfrei ausgeführt. In den beiden Teilschenkeln, insbesondere im ersten und zweiten gesteuerten Bereich G1, G2 ist der resultierende Steuerfluss Φs daher stets parallel oder antiparallel zum Hauptfluss Φh orientiert.
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Durch den magnetischen Steuerkreis wird der erste Schenkel S1 wenigstens teilweise vormagnetisiert. Der magnetische Widerstand für den magnetischen Hauptkreis wird dadurch erhöht, was zu einer verringerten Induktivität der Prüfdrossel führt. Auf diese Weise kann die Induktivität der Prüfdrossel elektromagnetisch, insbesondere ohne mechanisch verstellbaren Luftspalt, eingestellt werden.
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Durch die beschriebene Anordnung und Verschaltung der Steuerwicklungen W1, W2 wird eine Grundschwingung einer von dem zeitlich veränderlichen Hauptfluss Φh in den Steuerwicklungen W1, W2 induzierten Spannung teilweise oder vollständig eliminiert.
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Die Prüfdrossel weist außerdem eine erste Ausgleichswicklung A1 auf, welche den ersten gesteuerten Bereich G1 wenigstens teilweise umgibt und eine zweite Ausgleichswicklung A2, welche den zweiten gesteuerten Bereich G2 wenigstens teilweise umgibt. Die Ausgleichswicklungen sind vorzugsweise besonders nah am Kern, also dem ersten Schenkel S1, angeordnet, beispielsweise zwischen erstem Schenkel und der ersten beziehungsweise der zweiten Steuerwicklung W1, W2. Die Ausgleichswicklungen A1, A2 sind beispielsweise galvanisch von Steuerwicklungen W1, W2 und Hauptwicklung HW getrennt.
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Die Ausgleichswicklungen A1, A2 sind an ihren Enden elektrisch miteinander verbunden und sind derart angeordnet und miteinander verschaltet, dass die elektrischen Potentiale, welche an jeweiligen Enden der Ausgleichswicklungen A1, A2 durch die zeitliche Änderung des Hauptflusses Φh induziert werden derart, dass Ausgleichsströme zwischen den Ausgleichswicklungen A1, A2 fließen. Dabei werden durch die Ausgleichsströme Spannungsanteile mit einer Frequenz, die der doppelten Grundfrequenz der Erregerspannung entspricht, zumindest teilweise kompensiert. Wenn zum Beispiel das Potential an demjenigen Ende der ersten Ausgleichswicklung A1, welches dem ersten Joch zugewandt ist, größer ist als das Potential an demjenigen Ende der ersten Ausgleichswicklung A1, welches dem zweiten Joch J2 zugewandt ist, ist auch das Potential am dem ersten Joch J1 zugewandten Ende der zweiten Ausgleichswicklung A2 größer ist als das Potential am dem zweiten Joch J2 zugewandten Ende der zweiten Ausgleichswicklung A2. Entsprechendes gilt im umgekehrten Fall. Dies gilt, wenn diejenigen Enden der Ausgleichswicklungen A1, A2, welche demselben Joch J1, J2 zugewandt sind elektrische miteinander verbunden sind. Anderenfalls sind die Potentiale entsprechend. Die Ausgleichswicklungen A1, A2 sind optional.
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Optional weisen der erste und/oder der zweite gesteuerte Bereich G1, G2 jeweils einen verjüngten Bereich V1, V2 auf, die aus mehreren Unterabschnitten verschiedenen Querschnitts und gleicher oder verschiedener Länge bestehen. Anzahl, Querschnittsflächen und Längen der Unterabschnitte wie dargestellt sind dabei lediglich als Beispiele zu verstehen und müssen im konkreten Fall durch Optimierungsrechnungen bestimmt werden. Durch die verjüngten Bereiche wird der Stromoberschwingungsbedarf des Prüfsystems maßgeblich verringert.
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5A bis 5D zeigen verschiedene Ansichten einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Prüfdrossel PD eines Prüfsystems gemäß dem verbesserten Konzept, wie sie beispielsweise in der Ausführungsform von 1 eingesetzt werden kann. Dabei zeigen 5A und 5B perspektivische Ansichten der Prüfdrossel, insbesondere deren Aktivteil, 5C eine Vorderansicht und 5D eine Draufsicht.
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Die Prüfdrossel ist beispielhaft als Drossel mit Rahmenkern ausgeführt. Die Prüfdrossel umfasst einen Kern, insbesondere einen festverspannten Kern, mit einem ersten und einem zweiten Joch J1, J2 und zwei Schenkel S1, S2 welche nebeneinander angeordnet sind und sich zwischen den Jochen J1, J2 erstrecken. Die erste Schenkel S1 ist von der Hauptwicklung HW und der zweite Schenkel von einer weiteren Hauptwicklung HW' der Prüfdrossel umgeben. Im Betrieb wird durch die Spannung über den Hauptwicklungen HW, HW' ein magnetischer Hauptfluss Φh erzeugt, insbesondere in dem ersten und dem zweiten Schenkel S1, S2. Der Hauptfluss Φh wird von den Jochen J1, J2 und den Schenkeln S1, S2 geführt, so dass ein geschlossener magnetischer Kreis für den Hauptfluss, im Folgenden auch als Hauptkreis bezeichnet, entsteht. Der magnetische Hauptkreis kann optional einen oder mehrere Luftspalte beispielsweise zur Definition einer oberen Grenze des Induktivitätswertebereichs der Prüfdrossel aufweisen. Die Richtung des Hauptflusses Φh im ersten Schenkel S1 ist in 5C beispielhaft durch einen Pfeil mit Strichpunktlinie dargestellt. Der Hauptfluss wird in den beiden Schenkeln S1, S2 derart erzeugt, dass er in beiden Schenkeln S1, S2 zu einem gegebenen Zeitpunkt entlang des magnetischen Hauptkreises entlang derselben Richtung orientiert ist. In 5B bis 5D ist die Hauptwicklung nur aus Darstellungsgründen nicht gezeigt. Dasselbe gilt für das erste Joch J1 in 5D.
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Der Aufbau des ersten und des zweiten Schenkels S1, S2 ist jeweils analog zum ersten Schenkel S1 der Ausführungsform aus den 4A bis 4D. Die Funktionsweise der Prüfdrossel ist ebenfalls analog zu der aus den 4A bis 4D, lediglich der Rückschluss des Hauptflusses erfolgt entsprechend entlang der beiden Schenkel S1, S2 und Joche J1, J2.
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In alternativen Ausführungsformen wird der zweite Schenkel S2 nicht zur Induktivitätseinstellung genutzt. Er ist dann als konventioneller Schenkel ausgeführt, beispielsweise als einziges Elektroblechpaket. Die weitere Hauptwicklung HW' ist in solchen Ausführungsformen optional.
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Prüfdrosseln, deren Aktivteile in den 2A bis 5D gezeigt sind, weisen beispielsweise auch ein Gehäuse auf in dessen Inneren sich der Aktivteil befindet. Das Gehäuse ist aus Darstellungsgründen nicht gezeigt. Das Gehäuse ist beispielsweise zumindest teilweise mit einem Isoliermedium, insbesondere einer nicht elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, zum Beispiel einem Öl, gefüllt. Alternativ sind auch gasförmige Isoliermedien, zum Beispiel SF6, oder feste Isoliermedien möglich.
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Prüfsysteme mit einer Prüfdrossel deren Orientierung des Steuerflusses orthogonal zum Hauptfluss ist, wie zum Beispiel in 2A bis 3D, erlauben aufgrund des speziellen Magnetisierungsvorgangs im Werkstoff, welches hierbei zur Veränderung des magnetischen Widerstands ausgenutzt wird einen besonders großen Stellbereich für die Induktivität der Prüfdrossel. Ein Verhältnis von maximaler Induktivität zu minimal einstellbarer Induktivität von etwa 1000 zu 1 kann dadurch erzielt werden.
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Prüfsysteme mit einer Prüfdrossel mit Orientierung des Steuerflusses parallel zum Hauptfluss, wie zum Beispiel in 4A bis 5D weisen vorteilhafter Weise eine besonders einfache Konstruktion des Kerns der Prüfdrossel auf.
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Mit einem Prüfsystem nach dem verbesserten Konzept werden die eingangs erwähnten Nachteile bekannter Prüfsysteme überwunden. Insbesondere werden Wirbelstromverluste und Verschleiß der Prüfdrossel reduziert. Durch die mögliche Verwendung eines Festkerns sind die mechanischen Resonanzfrequenzen der Prüfdrossel invariant gegenüber der Veränderung der Induktivität. Die mechanischen Resonanzfrequenzen können daher durch entsprechende Konstruktion der Prüfdrossel in einen Bereich verschoben werden, der außerhalb des Betriebsbereichs liegt, wodurch Vibrationen und Geräuschpegel reduziert werden können. Die Reduktion der Vibrationen trägt wiederum zur Reduktion von Verschleiß und Materialermüdung bei. Die mögliche Verwendung eines Festkerns macht die Prüfdrossel auch besonders unempfindlich gegenüber mechanischen Belastungen, wie sie beim Transport und/oder dem mobilen Einsatz des Prüfsystems auftreten.
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Dadurch, dass kein Auszugsweg des Kerns zur Veränderung des Luftspalts notwendig ist, kann die Prüfdrossel besonders kompakt konstruiert werden und das Kesselvolumen kann besonders klein gehalten werden.
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Durch die elektromagnetische Verstellbarkeit der Induktivität, ist die zur Verstellung benötigte Zeit besonders kurz. Sie wird durch die magnetischen Zeitkonstanten von Steuerkreis und Hauptkreis bestimmt.
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Im Gegensatz zu konventionellen Prüfsystemen ist bei der Kaskadierung oder Reihenschaltung mehrerer Prüfdrosseln in einem Prüfsystem nach dem verbesserten Konzept eine Justage gemeinsamer mechanische Antriebskomponenten zur Synchronisierung der Induktivitäten der einzelnen Drosseln, welche für eine gleichmäßige Spannungsaufteilung notwendig ist, nicht erforderlich.
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Bezugszeichenliste
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- EQ
- Erregerquelle
- SQ
- Steuerquelle
- PD
- Prüfdrossel
- PR
- Prüfling
- S1, S2, S3
- Schenkel
- J1,J2
- Joche
- HW, HW'
- Hauptwicklungen
- W1, W2, W3, W4, W5, W6
- Steuerwicklungen
- A1, A2
- Ausgleichswicklungen
- B1, B2, B3,B4, B5, B6
- bogenförmige Komponenten
- H1, H2, H3
- Hauptteile
- Φh
- Hauptfluss
- Φs
- Steuerfluss
- AN
- Ausnehmung
- G1, G2
- gesteuerte Bereiche
- V1, V2
- verjüngte Bereiche
