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Normalspannungswandler Bei Transformatoren wird bezüglich des Spannungsverlustes
zwischen der primären und sekundären Größe im allgemeinen nur der durch den Last-Strom
verursachte Effekt in Rechnung gestellt. Es hat sich die bekannte Schenkel- bzw,
Mantelbauweise eingeführt, bei der die Wicklungen mit Rücksicht auf fertigungs-
und isolationstechnische Gesichtspunkte so angeordnet sind, d&ß die Oberspannungswicklung
über der Niederspannungswicklung angebracht ist, also einen größeren Abstand von
dem ihr zugeordneten Flußschenkel als die Niederspannungswicklung besitzt.
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Diese prinzipielle Bauweise ist .für das spezielle Teilgebiet der
Transformatorenmeßwandler übernommen worden, Bei diesen gewinnt neben dem Lastabfall
jedoch auch der Verlauf der Leerlauffehlerkurve eine besondere Bedeutung. Geht man
dazu über, besonders genaue Normalwandler zu bauen, so ist bei der bisherigen Bauweise
der Genauigkeit und der vorausberechnenden Beherrschung der Fehler eine Grenze gesetzt.
Im folgenden sollen zunächst die grundsätzlichen Einflüsse der bisherigen Bauart
auf den Fehlerverlauf von Norme spanuungswandlern kurz erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt schematisch die WieklungsanQrdnung eines Normalwandlers,
Der von der Wicklung 2 erzeugte Kernfluß 0e soll in der Wicklung 3 entsprechend
dem Übersetzungsverhältnis ein möglichst genaues Abbild der au messenden Größe nach
Betrag und Phase ergeben, Ist nun der Wandler für- mehrere Meßbereiche ausgelegt,
so muß die sekundäre Wicklung, wie in zig, schematisch angedeutet ist, mit Anzapfungen
versehen sein, die die verschiedenen Primärspannungen auf den für die Brückenmessungen
notwendigen konstanten Wert - im allgemeinen 100 und 25 Volt - reduzieren. Damit
nun in den Fehlerkurven dieser Meßbereiche keine Niveausprünge auftreten, muß verlangt
werden, daß der Quotient .d 0,Idt für jede sekundäre Windung derselbe ist. Diese
Bedingung wird von der bisherigen, in Fig. 1 dargestellten Bauform grundsätzlich
nicht erfüllt. Über die Kernecken tritt eine Streuung auf, die im wesentlichen durch
die unvermeidlichen Schachtelfugen noch verstärkt wird. Beispielsweise tritt auf
dem Wege zwischen a und b bei Ei-, 1 eine Flußverzweigung entsprechend den zwischen
diesen Punkten vorhandenen magnetischen Widerständen des Eisenweges einerseits und
des Luftweges andererseits auf, Für die in dieser Streuzone liegenden Windungen
ist somit die obige Bedingung nicht mehr erfüllt.
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Der Einfluß der räumlichen Anordnung der erregenden und erregten Wicklung
auf die Leerlauffehlerkurve und ihre Charakteristik wird an Hand von Fig. 3 erläutert,
welche einen Teilausschnitt einer Torroidwicklung wiedergibt. Der Leerlauffehler
zwischen den Wicklungen 2 und 3 wird durch den Unterschied der Flüsse, die diese
Wicklungen durchsetzen, hervorgerufen. Der magnetische Kreis läßt sich, wie Fig.
4 im Ersatzschaltbild zeigt, so darstellen, daß die von der Spule 2 erzeugte magnetische
Spannung V an der Parallelschaltung von zwei magnetischen Widerständen liegt, von
denen der eine PL konstant ist (entsprechend der Permeahilität der Luft ,uL --
1)
und der andere P, variabel ist (entsprechend seiner Abhängigkeit von der
Eisenpermeabilität bei verschicdenen magnetischen Spannungen).
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Das zugehörige Strahlendiagramm ist in Fig. 5 dargestellt. Der Fluß,
welcher die Spannung in der Spule 3 der Fig. 3 hervorbringt, ist mit 0e bezeichnet.
Er eilt der Spannung um 90° nach. Der Fluß, der die Spannung in Spule 2 hervorbringt,
ist 0"s.=OL+0e. Wegen des Vorhandenseins von Eisen in dem magnetischen Kreis und
der damit vorhandenen Eisenverluste hat der die Flüsse hervorrufende Strom gegenüber
der Spannung den Phasenwinkel rPo, der sich in Abhängigkeit von der Induktion des
Eisens ändert. Der für die Spannung E in der Spule 2 verantwortliche Luftflußanteil
ist somit eine Funktion von 10 und %.
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Geht man davon aus, daß in der Spule 3 eine linear ansteigende Spannung
induziert wird, so gehört dazu eine linear ansteigende Flußkurve I, wie dies in
Fig. 6 dargestellt ist. Der in der Spule 2 zusätzlich fließende, in Phase mit 0e
liegende Luftflußanteil OL`, der für den -Spannungsfehler verantwortlich ist, muß
dann unter Berücksichtigung der Änderung von Po einen Kurvenverlauf gemäß II der
Fig. 6 zeigen. Schließlich ist erkennbar, daß die Fälschung der Spannungsübersetzung
vom Verhältnis des Eisenflusses zu der mit ihm in Phase liegenden Komponente des
Luftflusses abhängig ist. Je größer dieser Quotient ist,
desto geringer
ist der Spannungsfehler des, Wandlers, Bildet man den Ouotienten Oe/Oi und trägt
ihn für irgendein Übersetzungsverhältnis des Wandlers als Funktion der prozentuellen
Nennspannung auf, so erhält man den für die Wicklungsanordnung charakteristischen
gekrümmten Verlauf der Leerlauffehlerkurve f" (), der in Kurve III der Fig. 7 dargestellt
ist.
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Der Zweck eines Normalwandlers ist im Idealfall die korrekturlose
Genauigkeitsmessung von Meßwandlern. Dieser ist erreicht, wenn - der Normalwandler
in dem Gebrauchsmeß- und Spannungsbereich die Fehler 0 hat. Dem Idealfall kommt
man am nächsten, wenn die- Fehlerkurve jedes Meßbereiches möglichst gestreckt als
Parallele zur Null-Linie und in deren unmittelbarer Nähe verläuft und wenn bei mehreren
Meßbereichen zwischen den verschiedenen Meßbereichen keine Niveausprünge auftreten.
Durch die Erfindung wird die geschilderte Aufgabe für einen Normalspannungswandler,
bei dem die erregende Hochspannungswicklung innerhalb der sie umgebenden Niederspannungswicklung
auf dem Eisenkern angeordnet ist, dadurch gelöst, dag zur Erzielung einer geradlinigen,
Fehlerkurve als Eisenkern ein nahezu kreisringförmiger Band- oder Stanzkern verwendet
ist, auf"-den die Wicklungen des Spannungswandlers in gleichmäßiger Verteilung toroidförmig
aufgebracht sind. Durch Anwendung des nahezu kreisringförmigen Band- oder Stanzkernes,
auf den die Wicklungen in gleichmäßiger Verteilung toroidförmig aufgebracht sind,
werden die obenerwähnten Streunachteile, welche bei Anwendung eines geschachtetelten
Kernes Niveausprünge zwischen den Meßbereichen ergeben, vermieden; außerdem kann
man eine gekrümmte Fehlerkurve vermeiden (vgl. die Kurve IV- in Fig. 7). Man wird
beim Erfindungsgegenstand die erregende Hochspannungswicklung vorzugsweise möglichst
dicht am Kern liegend anordnen. Dabei kann es vorteilhaft sein, den Wandlerkern
selbst auf Hochspannungspotential zu legen. Zur Auswahl mehrerer Meßbereiche kann
man bei einer solchen Anordnung die die Hochspannungswicklung umgebende Niederspannungswicklung
mit entsprechenden Anzapfungen versehen. Die so gewonnene, zur Nüll-Linie parallele
Fehlerkurve in die unmittelbare Nähe der Null-Linie zu verschieben, ist Aufgabe
des Abgleichs, der gemäß der weiteren Er-Findung mit Hilfe von sehr feinstufig unterteilten
Abgleichgliedern durchgeführt wird. Diese Abgleichglieder werden so in die Wandlerschaltung
eingeführt, daß sie zusätzliche Spannungen beliebiger Winkellage zum Abgleich von
Übersetzungs- und Winkelfehler einzustellen gestatten.
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Wandler mit innen liegender Hochspannungswicklung sind bekannt. Bei
einem solchen als Topfspannungswandler ausgebildeten Wandler besteht der Eisenweg
aus mindestens zwei Kernteilen, nämlich einem Kernstumpf und einem Rückschlußkern,
so daß der Eisenweg für den magnetischen Fluß durch längere Luftwege unterbrochen
ist. Demzufolge entsteht eine stärkere Streuung des magnetischen Flusses, welche
einen hohen Leerlaufstrom zur Folge hat. Außerdem ist hierdurch der Genauigkeit
der Leerlauffehlerkurve und der vorausberechnenden Beherrschung der Fehler eine
Grenze gesetzt.- Für die Verwendung als Normälspannungswandler ist dieser Wandler
daher nicht geeignet.
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Bei einem anderen bekannten Wandler mit innen liegender Hochspannungswicklung
ist ein rechteckförmiger Stanzkern verwendet, und die Hochspannungswicklung ist
innerhalb der sie umgebenden Niederspannungswicklung auf zwei Kernschenkel verteilt
angeordnet. Demgegenüber wird bei dem Wandler gemäß der Erfindung infolge der Verwendung
eines nahezu kreisringförmigen Band- oder Stanzkernes und infolge der toroidförmigen
Anordnung der Hochspannungs- und Niederspannungswicklung auf dem Eisenkern der Vorteil
erzielt, daß der Strombelag an jeder Stelle des Eisenweges der gleiche ist, was
dazu führt, daß der Eisenweg an allen Stellen den gleichen magnetischen Widerstand
aufweist und somit der Wandler für die korrekturlose Genauigkeitsmessung von Meßwandlern
hervorragend geeignet ist.
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Es sind auch Meßwandler mit ringförmigem Eisenkern bekannt; auf diesen
sind aber die beiden Wicklungen ungleichmäßig aufgebracht, indem sie in der oberen
Hälfte des Eisenkernes unmittelbar nebeneinander gewickelt sind, während ihre Enden
auf den verbleibenden beiden Quadranten je für sich aufgebracht sind. Auch gegenüber
diesem Wandler weist der Wandler gemäß der Erfindung den oben aufgeführten Vorteil
auf.
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In Fig. 8 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Mit 11 ist ein beispielsweise als Bandkern ausgeführter ringförmiger Eisenkern bezeichnet.
Auf diesem Kern ist erfindungsgemäß die erregende Prirnärhochspännungswicklung 12
innerhalb der sie umgebenden Sekundärwicklung 13 angeordnet. Mit 14 ist die Kernisolation,
mit 15 die Wicklungsisolation bezeichnet. Die Wicklungen selbst sind in der aus
der Figur ersichtlichen Weise aus je vier Teilwicklungen zusammengesetzt.
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Die Fig. 9 zeigt das Schaltungsbeispiel eines Normalspannungswandlers
gemäß der Erfindung mit geradliniger Fehlercharakteristik und drei Meßbereichen;
deren Fehler für die Betriebsbürde durch zusätzliche Abgleichglieder auf den Wert
Null gebracht werden können. Mit 21 ist die Primärseite, mit 22 die Sekundärseite
des Normalspannungswandlers bezeichnet. Die Abgleichschaltung besteht aus einem
ohmschen Widerstand 23, einer Induktivität 24 und den beiden Zusatzwandlern 25 und
26. Der Zusatzwandler 25 liegt mit seiner Primärwicklung 27
an der Wicklung
22 des abzugleichenden Wandlers. Entsprechend den drei Meßbereichen besitzt der
Wandler 25 die drei Wicklungen 31, 32, 33, an deren beweglichen Anzapfungen die
Zusatzspannung eingestellt werden kann, die in Phase mit der abzugleichenden Spannung
der Wicklung 22 liegt und die damit zur Korrektur des Übersetzungsfehlers benutzt
werden kann. Der Wandler 26 ist mit seiner Primärwicklung 29 einerseits an eine
Anzapfung der Wicklung 27 des Zusatzwandlers 25 und andererseits an die Verbindung
des Widerstandes 23 mit der Drossel 24 angeschlossen. Sekundärseitig besitzt auch
der Wandler 26 drei Wicklungen 34, 35, 36, deren bewegliche Anzapfungen mit den
festen Mittelanschlüssen der Wicklungen 33, 32 bzw. 31 verbunden sind. Die Sekundärwicklungen
34, 35 und 36 gestatten es, Zusatzspannungen zu entnehmen, die senkrecht auf der
Sekundärspannung des Hauptwandlers stehen und zur Korrektur des Winkelfehlers benutzt
werden können. An die Klemmen U, Tl wird die Primärspannung des Normalwandlers
angelegt, die Klemmen v, ui bzw. u2 bzw. u3 werden in den drei verschiedenen
Meßbereichen dieser Anordnung benutzt. Wenn man bei einem Normalspannungswandler
die in den Fig. 8 und 9 dargestellten Erfindungsmerkmale kombiniert, gelingt es,
mit diesem Wandler eine korrekturlose Genauigkeitsmessung von Meßwandlern einwandfrei
durchzuführen.-
Man kann die Erfindung auch bei Meßwandlern anwenden,
was insbesondere dann in Betracht kommt, wenn man Spannungswandler besonders hoher
Genauigkeit herstellen will.