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Elektrodynamischer Stromwandler Es sind Stromwandler mit je einem
elektrodynamischen System auf der Hochspannungs- und Erdseite bekannt, deren bewegliche
Spulen durch ein Übertragungsmittel miteinander verbunden sind. Als Übertragungsmittel
dient entweder eine Flüssigkeitssäule großer Masse oder ein isolierendes Übertragungsgestänge,
dessen Masse zur Spulenmasse verhältnismäßig groß ist. Solche Wandler weisen keine
hohe Klassengenauigkeit auf, da, wenn auch z. B. bei Verwendung eines isolierenden
Übertragungsgestänges das bewegliche mechanische System eine möglichst geringe Trägheit
besitzt, doch eine starke Dämpfung vorgesehen ist, um die Amplitude der Schwingung
des mechanischen Systems und damit auch die Leistung des auf der Erdseite liegenden
elektrodynamischen Systems zu verringern.
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Um eine hohe Klassengenauigkeit zu erreichen, ist gemäß dem Hauptpatent
das schwingende System praktisch dämpfungsfrei ausgebildet und ferner die Masse
m, die magnetische Induktion B, die wirksame Länge I der bewegten
Wicklung und der Widerstand Ra der auf der Erdseite liegenden Wicklung derart ausgebildet,
daß bei der maximalen Bürde Rb der Winkelfehler 99, entsprechend der Beziehung
innerhalb der geforderten Klassengenauigkeit liegt. Wie Rechnungen und Versuche
gezeigt haben, bereitet aber beispielsweise die Erreichung der Genauigkeitsklasse
0,5 °/o bereits erhebliche Schwierigkeiten.
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Um eine weitere Erhöhung der Genauigkeit zu erzielen, ist gemäß der
Zusatzerfindung das bewegliche System ein mechanisch schwingungsfähiges Gebilde,
dessen Eigenfrequenz auf die Nennfrequenz des zu messenden Stromes abgestimmt ist.
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Bei den bekannten Stromwandlern mit je einem elektrodynamischen System
auf der Hochspannungs-und Erdseite erfolgen die Bewegungen der Spulen irn Takt des
erregenden Stromes, während das bewegliche System gemäß der Erfindung. ein mechanisch
schwingungsfähiges Gebilde ist. Es weist also neben einer Masse auch noch eine mechanische
Rückstellkraft auf, die erfindungsgemäß so auf die Masse abgestimmt ist, daß die
Frequenz der mechanischen Eigenschwingung des Systems, d. h. wenn dieses elektrisch
nicht erregt wird, gleich der Frequenz des mit dem System später zu messenden Stromes
ist. Damit wird bei dem elektrodynamischen Stromwandler gemäß der Erfindung der
Vorteil erzielt, daß der Übertragungsfehler des Stromwandlers sehr klein, theoretisch
sogar Null ist.
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Die theoretischen Untersuchungen eines nach dem Erfindungsvorschlag
gebauten Stromwandlers führen zu nachstehenden Beziehungen:
Darin bedeutet: Il = Strom in dem elektrodynamischenSystem auf
der Hochspannungsseite, I2 = Strom in demelektrodynamischen System auf der Erdseite,
9p = Phasenwinkel zwischen Il und I2 in elektrischen Graden, co
= 2 z f = Kreisfrequenz des zu messenden Stromes Il, (R2 -[- R6) =
ohmscher Widerstand des erdseitigen elektrodynamischen Systems und der angeschlossenen
Bürde, (L2 + L$) = Induktivität des erdseitigen elektrodynamischen Systems
und der angeschlossenen Bürde, h,12 = wirksame Länge des Spulenleiters beim hochspannungsseitigen
und erdseitigen elektrodynamischen System, B1, B2 = magnetische Induktionen im hochspannungsseitigen
und erdseitigen elektrodynamischen System, m = Masse des bewegten Systems, k = Federkonstante
des bewegten Systems. Aus Gleichung (2) geht hervor, daß das Verhältnis 1` B1 dem
Übersetzungsverhältnis
des l 2 magnetischen Stromwandlers entspricht. Außerdem erkennt man, daß durch Abstimmung
der mechanischen Eigenfrequenz wm des beweglichen Systems auf die Frequenz des
zu messenden Stromes !12:=ü-'Il und tgp=0 wird, d. h. der Wandler theoretisch fehlerfrei
überträgt. Es macht an sich keine Schwierigkeiten, das mechanische System auf eine
konstante Frequenz, z. B. 50 oder l62/3 Hz, abzustimmen und auch dafür zu sorgen,
daß sich seine Eigenfrequenz im Laufe der Zeit praktisch nicht ändert. Hingegen
ist bekanntlich die Netzfrequenz nicht exakt konstant, sondern schwankt um beispielsweise
±0,5 bis :E1 Hz, bezogen auf 50 Hz. Die vorstehende Formel läßt sich nun
bei gewissen zulässigen Vereinfachungen so umformen, daß man den Winkelfehler, der
bei einer Abweichung d oi = 2 n - d f von der Netzkreisfrequenz
auftritt, unmittelbar daraus ablesen kann:
Ein Vergleich der Formel (3) mit der entsprechenden Formel im Hauptpatent zeigt
weitgehende Übereinstimmung. Es ist lediglich an Stelle der Kreisfrequenz (o die
doppelte Frequenzabweichung 2 - dcu getreten. Die Größe g
tritt nun als Faktor von 2 d cn auf, d. h., der Winkelfehler bei einer Frequenzabweichung
wird um so kleiner, je besser der Wandler der Vorschrift nach dem Hauptpatent entspricht.
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Um einen für die Praxis geeigneten und auch ausreichend robusten Stromwandler
zu erhalten, wird man zweckmäßig so vorgehen, daß man zunächst versucht, das System
gemäß den Anweisungen des Hauptpatentes zu entwerfen, wobei aber hinsichtlich der
Verringerung der Gesamtmasse m und der Erhöhung der Luftspaltinduktion B nur so
weit gegangen werden sollte, daß einerseits eine genügende mechanische Stabilität,
andererseits eine ausreichende Konstanz der Luftspaltinduktion gewährleistet ist.
Dieses an sich brauchbare System wird dann nach der Erfindung durch Anordnung einer
elastischen Rückstellkraft zu einem schwingungsfähigen Gebilde erweitert, dessen
Eigenfrequenz der Netzfrequenz entspricht. Selbstverständlich wird man dafür sorgen,
daß die zusätzliche Masse, bedingt durch die elastische Rückstellkraft, möglichst
klein ist.
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Auf diese Weise ist es ohne Schwierigkeiten möglich, elektrodynamische
Stromwandler beispielsweise der Genauigkeitsklasse 0,501, und darunter zu
bauen. Die möglichst weitgehende Berücksichtigung der Anweisungen des Hauptpatentes
hat den weiteren Vorteil, daß die Einschwingzeit des Wandlers kurz wird.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform eines elektrodynamischen Stromwandlers
im Schnitt, während in den Fig. 2 und 3 weitere Ausführungsformen mit besonders
kleiner Masse des schwingenden Systems schematisch dargestellt sind.
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In Fig. 1 bedeutet -1 einen Freiluftisolator, der an seinem oberen
Ende ein elektrodynamisches System 2 trägt, bestehend aus dem permanenten Magneten
3 mit dem Polschuh 4 und dem magnetischen Rückschluß 5. Das System 2 ist an der
Grundplatte 6 befestigt, die zugleich den Kern 7 eines magnetischen Stromwandlers
trägt; 8 ist sein Primärleiter, 9 die Sekundärwicklung, die über flexible Leitungen
mit der beweglichen Spule 10 des elektrodynamischen Systems 2 in Verbindung steht.
Mit 11 ist die am Isolator 1 befestigte Abdeckhaube bezeichnet. Das Isolierorgan
12 ist als dünnwandiges Isolierrohr ausgebildet. Es trägt an seinem oberen
Ende die bewegliche Spule 10, an seinem unteren Ende die entsprechende Spule 13.
Die Führung des Isolierrohres 12 erfolgt durch die beiden Kegelfedern 14 und 15,
die gleichzeitig das aus dem Isolierrohr 12 mit den Spulen 10 und 13 bestehende
mechanische System schwingungsfähig machen. Eine genaue Abstimmung der Resonanzfrequenz
auf die Frequenz des zu messenden Stromes erfolgt vorteilhaft durch eine variable
Einspannung der unteren Windungen der Kegelfedern. Auf dem Sockel 16 sind
der Isolator und ein dem System 2
ähnliches elektrodynamisches System 17 befestigt.
Die Enden der Wicklung 13 sind zu den Klemmen 18
geführt, an denen
die Bürde angeschlossen wird.
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Nimmt beispielsweise der Strom in der Primärwicklung 8 zu, so erhöht
sich in entsprechendem Maße auch der Sekundärstrom in der Spule 10. Es entsteht
beispielsweise eine zusätzliche, nach oben gerichtete Kraft, die das bewegliche
System, bestehend aus dem Isolierorgan 12, den beiden Spulen 10 und 13 und den Federn
14 und 15, beschleunigt. Durch die Bewegung der Spule 13 im Magnetfeld des elektrodynamischen
Systems _17 wird dort eine EMK induziert, die einen entsprechenden Strom durch die
Bürde treibt. Wie bereits einleitend dargelegt wurde, entspricht der Sekundärstrom
auf der Erdseite nach Phase und Amplitude dem Primärstrom in dem Leiter B.
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In Fig. 2 sind 21 und 22 wieder die auf dem Isolierrohr 23 aufgebrachten
Spulen. Das Isolierrohr 23 weist am oberen Ende die Achse 24, am unteren Ende die
Achse 25 auf, die sich in den Steinlagern 26 und 27 weitgehend reibungsfrei bewegen.
_28 und 29 sind die Magnetsysteme. Das obere Ende der Achse 24 ist
mit
der Dreieckfeder 30 über einen kleinen Schlitz 31 verbunden, wodurch die Gradführung
des Systems gewährleistet ist. Die Resonanzabstimmung kann auf einfache Weise durch
Änderung der freien Länge der Dreieckfeder von der Einspannung 32 bis zur Achse
24 erreicht werden. Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig.2 entspricht
im übrigen derjenigen der Ausführungsform nach Fig. 1.
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In Fig. 3 stellen 41 und 42 die auf dem Isolierrohr
43
aufgebrachten Spulen dar. Auf dem Umfang der Rollen 44 und 45 sind
Stahldrähte oder Quarzfäden 46
und 47 befestigt, die mit dem Isolierrohr 43
verbunden sind. Die Rollen 44 und 45 sitzen fest auf den Achsen 48
und 49, die ihrerseits nicht drehbar, jedoch zwecks genauer Resonanzabstimmung
in der Länge verstellbar in den Lagerböcken 50 und 51 gehalten sind,
so daß die Achsen 48 und 49 als Torsionsstabfedern des schwingungsfähigen Systems
wirken.