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Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes des Läufers bürstenloser
Synchronmaschinen Die Erfindung betrifft die Messung an rotierenden Objekten, insbesondere
eine Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes des Läufers bürstenloser
Synchronmaschinen.
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Eine bekannte Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes
des rotierenden Teils einer Schaltung, beispielsweise des Läufers einer leistungsstarken
bürstenlosen Synchronmaschine, enthält einen Isolationswiderstands-Meßteil, eine
Speisequelle und eine über einen Schalter einschaltbare Einheit zur Kopplung des
Läufers der Synchronmaschine
mit dem Isolationswiderstands-Meßteil
(vgl. z. B.
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D. B. Hoover Reihe Brushless Excitation System for Large A. C. Generator,
Westinghouse Engineer, Vol. 24, Nr. 5, 1964).
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Bei dieser Einrichtung werden als Kopplungseinheit Schleifringe und
Bürsten benutzt, die an diese während der Messung mit Hilfe eines von der Speisequelle
gespeisten Elektromagneten gepreßt werden.
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Die bekannte Einrichtung weist eine Reihe von Mängeln auf: Die Schleifkontakte
bedürfen einer zusätzlichen Wartung und setzen die Meßzuverlässigkeit herab; der
sich an den Bürsten und Schleifringen ansammelnde elektrisch leitende Staub verschlechtert
die Isolation der zu bedienenden Maschine; die beweglichen Teile erfordern auch
eine zusätzliche Wartung und setzen die Meßzuverlässigkeit infolge einer möglichen
Verkeilung derselben und anderen Ursachen herab; sie liefert nicht stetig Informationen
und läßt sich nicht in Schutzschaltungen anwenden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der genannten
Mängel eine Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes und der Spannung
des Läufers von bürstenloser Synchronmaschine zu entwickeln, die durch erhöhte Meßgenauigkeit,
einfachen Betrieb, beschleunigten Neßvorgang sowie geringe Axialabmessungen ausgezeichnet
ist und die Isolationsmessung unter Belastung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird bei einer Einrichtung zur Messung des Isolationswiderstandes
des Läufers von bürstenlosen Synchronmaschinen mit einem Isolationswiderstands-Meßteil,
einer
Speisequelle und einer über einen Schalter einschaltbaren Einheit zur Kopplung des
Läufers der Synchronmaschine mit dem Isolationswiderstands-Meßteil erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Kopplungseinheit ein Synchrongenerator mit einem rotierenden
Gleichrichter und einem Erreger ist, daß die Erregerwicklung des Synchrongenerators
zusammen mit dem rotierenden Gleichrichter und der Ankerwicklung des Erregers in
Reihe zwischen dem Potentialnullpunkt des Läuferkreises der bürstenlosen Synchronmaschine
und dem Läuferkörper geschaltet ist, während parallel zu dem rotierenden Gleichrichter
Widerstände liegen und die Speise quelle zur Bestimmung des Isolationswiderstandes
über eine der Stellungen des Schalters an die Induktorwicklung des Erregers angeschlossen
ist, und daß ein Meßgerät des Isolationswiderstands-Meßteils über die entsprechenden
Stellungen des Schalters an die Ankerwicklung des Synchrongenerators und die Induktorwicklung
des Erregers angeschlossen ist, während es in einer Stellung des Schalters zur Isolationsdurchschlagsmeldung
an die Ankerwicklung des Synchrongenerators gelegt ist.
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Es ist ferner zweckmäßig, daß in der Kopplungseinheit die Erregerwicklung
des Synchrongenerators durch eine entgegengesetzt zum rotierenden Gleichrichter
gepolte Diode.
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überbrückt ist, während im Isolationswiderstands-Meßteil in einer
der Stellungen des Schalters das mit zweiseitiger Skale ausgeführte Meßgerät an
die gleichnamigen Pole zweier durch Widerstände geshuntete und gegensinnig in Reihe
geschalteter Gleichrichter angeschlossen ist, von denen einer an der Ankerwicklung
des Synchrongenerators und der andere an der Induktorwicklung des Erregers liegt.
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Als Potentialnullpunkt des Läuferkreises der bürstenlosen
Synchronmaschine
kann die Mittelanzapfung der Wicklung eines im Läuferkreis der Synchronmaschine
liegenden Induktionsspannungsmessers benutzt werden.
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Die Ankerwicklung des Induktionsspannungsmessers wird zur Verringerung
ihrer Axialabmessungen und der gesamten Einrichtung als 2/41agige Dreiphasenwicklung
ausgeführt, deren Wickelköpfe in einer zur Ankerdrehachse senkrechten Ebene liegen.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zeichnet sich aus durch erhöhte
Zuverlässigkeit und Vereinfachung des Betriebes der bürstenlosen Erregersysteme
leistungsstarker Synchronmaschinen, die -keine elektrische Kopplung der Läuferstromkreise
mit den feststehenden Teilen haben. Mit ihr können durchgeführt werden: eine periodische
Messung des Isolationswiderstandes der Läuferkreise zum Körper an Stellen, die durch
die Betriebsvorschriften vorgesehen sind; eine fortlaufende Meldung eines Isolationsdurchschlags
mit ungefährer Angabe der Durchschlagsstelle; eine fortlaufende Messung der Erregerspannung
der Synchronmaschine; und ein Isolationsdurchschlagschutz.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Einrichtung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Einrichtung zur Messung
des Isolationswiderstandes und der Spannung am Läufer einer bürstenlosen Synchronmaschine;
Fig. 2 das Prinzipschaltbild der gleichen Einrichtung, bei der die Erregerwicklung
des Synchrongenerators durch eine Diode überbrückt ist und das Meßgerät des Meßteils
eine zweiseitige Skale hat; Fig. 3 das Prinzipschaltbild der Einrichtung gemäß Fig.
2, bei der als Nullpotentialpunkt die Mittelanzapfung der Induktorwicklung des Induktionsspannungsmessers
benutzt ist; und Fig. 4 das Schaltbild der Ankerwicklung des Induktionsspannungsmessers.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, enthält die Einrichtung zur Messung des
Isolationswiderstandes und der Spannung eines Läufers 1 einer bürsteniosen Synchronmaschine
2 einen Isolationswiderstands-Meßteil 3 mit einer Speisequelle 4, eine über einen
Schalter 6 angeschlossene Einheit 5 zur Kopplung des Läufers 1 der Synchronmaschine
mit dem Isolationswiderstands-Meßteil 3 und einen Induktionsspannungsmesser 7.
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Die Kopplungseinheit 5 ist als Synchrongenerator 8 mit einem rotierenden
Gleichrichter 9 und einem Erreger 10 ausgeführt. wobei eine Erregerwicklung 11 des
Synchrongenerators 8 zusammen mit dem rotierenden Gleichrichter 9 und einer Ankerwicklung
12 des Erregers 10 in Reihe zwischen einem
Nullpotentialpunkt 13
des Läuferkreises 1 und dem Läufers körper (Punkt 14) geschaltet sind. Ein rotierender
Teil 15 der Kopplµngseinheit 5-ist mechanisch mit dem Körper des Läufers 1 verbunden.
Der rotierende Gleichrichter 9 kann in Brückenschaltung gemäß Fig. 1, aber auch
in Jeder an deren Schaltung, beispielsweise in Verdopplungsschaltung, ausgeführt
sein Er wird teilweise (Fig. 1) bzw. vollständig (in Fig. 1 nicht gezeigt) durch
Widerstände 16 überbrückt.
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In einer Stellung 11 des Schalters 6 (Fig I) ist die Speisequelle
4 (die vorzugsweise stromstabilisiert ist) an eine Induktorwicklung 17 des Erregers
10 und ein Meßgerät 18 an eine Ankerwicklung 19 des Synchrongenerators 8 angeschlossen.
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In einer Stellung I2 des Schalters 6 ist die Speisequelle 4 von der
Wicklung 17 abgeschaltet. Der restliche Teil der Schaltung bleibt unverändert.
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In einer Stellung 0 des Schalters 6 ist an das Meßgerät 18 anstelle
der Wicklung 19 eine am Induktor des Erregers 10 angeordnete Wicklung 20, die eine
unabhängige Wicklung (wie in Fig. 1) sein kann, oder die Induktorwicklung selbst
angeschlossen. Die Speisequelle 4 ist abgeschaltet.
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In einer Stellung C des Schalters 6 ist das Meßgerät 18 an die Wicklung
19 mit einem Begrenzer 21, der z. 3. mit Halbleiterdioden ausgeführt ist, gelegt.
Die Speisequelle 4 ist abgeschaltet.
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Der Induktionsspannungsmesser hat eine Induktorwicklung 22, die an
dem rotierenden Teil 15 angeordnet und an
den Plus- und Minuspol
des Läuferkreises 1 angeschlossen ist.
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Die Schaltung des feststehenden Teils des Induktionsspannungsmessers
7 enthält eine Ankerwicklung 23 und ein Meßgerät 24, die auf irgendeine bekannte
Art zusammen mit einem Gleichrichter 25, wie in Fig. 1 gezeigt, oder ohne diesen
geschaltet sein können.
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Die Einrichtung hat in Übereinstimmung mit den Stellungen des Schalters
6 vier Betriebszustände: I1 - Messung des Isolationswiderstandes; I2 - Messung des
Störsignals; 0 -Bestimmung der Störstromrichtung; C - Meldung eines Isolationsdurchschlags.
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Die Messung des Isolationswiderstandes (Schalter 6 in der Stellung
I1) geschieht wie folgt: Der vorgegebene Erregerstrom fließt von der Speisequelle
4 über die Induktor-Wicklung 20 des Erregers 10, und bei Drehung der Ankerwicklung
12 des Erregers 10 wird in dieser eine EMK induziert, die durch den Gleichrichter
9 gleichgerichtet wird. Die gleichgerichtete Spannung wird vom Gleichrichter 9 an
die Isolation#der Kreise des Läufers 1 gegenüber seinem Körper über die Erregerwicklung
11 des Synchrongenerators 8 gelegt, demzufolge in dieser Wicklung ein Strom fließt,
der von dem Isolationswiderstand abhängt. Bei Drehung der stromdurchflossenen Wicklung
11 gegen die Ankerwicklung 19 des Synchrongenerators 8 wird in dieser eine dem Strom
in der Wicklung 11 proportionale, d. h. von dem Isolationswiderstand abhängige EMK
induziert. Diese EMK wird mit dem Meßgerät 18, das in Widerstandseinheiten kalibriert
sein kann, gemessen. Da der aus dem Gleichrichter 9 und der Wicklung 11 bestehende
Kreis zwischen Punkten gleichen Potentials gegenüber der Spannung des Läuferkreises
liegt, was bei einer gleichmäßigen Verteilung des Isolationswiderstandes der
Fall
ist, übt in diesem Fall die erwähnte Spannung keinen Einfluß auf die Anzeige des
Meßgerätes 18 aus.
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Ist der Isolationswiderstand ungleichmäßig verteilt, so erzeugt die
Spannung des Läuferkreises 1 ein Störsignal, das auf folgende Weise berücksichtigt
werden kann: In der Stellung I1 des Schalters 6 wird an der Widerstandsskale der
Isolationswiderstand Ro und gleichzeitig an der Spannungsskale die Spannung Uo abgelesen.
Der Schalter 6 wird in die Stellung I2 gebracht. Da die Speisequelle 4 abgeschaltet
ist, fließt in der Wicklung 11 ein Strom nur unter der Wirkung der Spannung des
Läuferkreises 1, der somit ein reiner Störstrom ist. Bei Drehung der Wicklung 11
wird in der Wicklung 19 eine entsprechende EMK induziert und mit dem Meßgerät 18
die Störspannung U gemessen.
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Der Einfluß des Störstromes hängt von seiner Richtung ab, die ihrerseits
von der Stelle des reduzierten Isolationswiderstandes gegenüber dem Läuferkreis
abhängig ist.
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Zur Bestimmung der Störstromrichtung wird der Schalter 6 in die Stellung
0 gebracht.
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Liegt der reduzierte Isolationswiderstand näher zum Pluspol des Läuferkreises
1, so fließt bei der in Fig. 1 gezeigten Polarität des Gleichrichters 9 der Störstrom
vom Punkt 14 zum Punkt 13 über die Dioden des Gleichrichters 9, ohne die Wicklung
12 zu durchfließen. Da die Wicklung 12 stromlos ist, zeigt das an die Wicklung 20
gelegte Meßgerät 18 Null an. In diesem Fall wird der genaue Widerstandswert R nach
der Formel
bestimmt, wobei R11 der Widerstand der Wicklung 11 ist.
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Liegt der reduzierte Isolationswiderstand näher zum negativen Pol
des Läuferkreises 1, so fließt der Störstrom vom Punkt 13 zum Punkt 14 über die
Widerstände 16 und die Wicklung 12. Demzufolge entsteht bei Drehung der stromdurchflossenen
Wicklung 12 gegenüber der Wicklung 20 in dieser eine EMK, und das Meßgerät 18 zeigt
ein von Null unterschiedliches Signal an. In diesem Fall wird der genaue Widerstandswert
R nach der Formel
bestimmt. Hierin ist R16 der Summenwiderstandswert der Widerstände 16 und R 2 der
Widerstandswert der Wicklung 12.
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12 Die Messung des Isolationswiderstandes wird periodisch vorgenommen
und dauert jedesmal nicht mehr als 20 s (Beobachtung der Geräte und Notieren der
Anzeigen in den Schalterstellungen I1, I2, 0).
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Die restliche Zeit zwischen den Messungen arbeitet die Einrichtung
im Isolationsdurchschlagsmeldebetrieb, wobei der Schalter in der Stellung C steht.
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Liegt kein Durchschlag vor, so zeigt das Meßgerät 18, da die Speisequelle
4 abgeschaltet ist, kein Signal bzw. ein geringes Signal an.
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Bei einem Durchschlag am positiven Pol des Läuferkreises
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fließt der Strom in der Wicklung 11 unter der Wirkung der Spannung im Läuferkreis
1 vom Punkt 14 zum Punkt 13, wobei seine Größe maximal ist, da der Widerstandswert
dieses Stromkreises minimal ist. Demzufolge ist auch der Zeiger ausschlag des Meßgerätes
18 maximal, während der Begrenzer 21 diesen auf die mit dem Plus-Zeichen an der
Skale des Gerätes bezeichnete Signalzone (Skale nicht mitgezeichnet) ein-Schränkt.
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Bei einem Durchschlag am negativen Pol des Läuferkreises 1 fließt
der Strom in der Wicklung 11 unter der Wirkung der Spannung des Läuferkreises 1
vom Punkt 13 zum Punkt 14 über die Widerstände 16 und die Wicklung 12, wobei seine
Größe geringer als die des Durchschlagsignals am positiven Pol ist, da der Widerstand
des Stromkreises größer ist. Der Zeiger des Meßgerätes 18 schlägt entsprechend um
einen kleineren Winkel aus und gerät in die mit dem Minus-Zeichen an der Skale bezeichnete
Zone.
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Zur Erhöhung der Durchschlagmeldegenauigkeit und Vereinfachung des
Isplationswiderstandsmeßvorganges ist es zweckmäßig, eine Einrichtung gemaß Fig.
2 zu benutzen. In diesem Fall ist bei der Kopplungseinheit die Erregerwicklung 11
des Synchrongenerators 8 durch eine entgegengesetzt zum Gleichrichter 9 gepolte
Diode 26 überbrückt.
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Als Meßgerät 18 findet ein Gleichstrominstrument Verwendung. Hinzugefügt
sind ein zweites Meßgerät 27 mit zweieitiger Skale und zwei Gleichrichter 28 und
29, die in der Stellung C des Schalters 6, die dem Durchschlagmeldebetrieb entspricht,
durch Widerstände 30 und 31 überbrückb sind.
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In dieser Stellung des Schalters 6 ist die Speisequelle 4
abgeschaltet,
die Ankerwicklung 19 des Generators 8 ist über den Gleichrichter 28 mit dem Meßgerät
27 verbunden, mit welchem gleichzeitig über den Gleichrichter 29 die Induktorwicklung
17 des Erregers derart verbunden ist, daß beide Gleichrichter 28 und 29 miteinander
entgegen in Reihe geschaltet sind, während deren freie Pole an das Meßgerät 27 gelegt
sind.
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In der Stellung I des Schalters 6, die der Messung des Isolationswiderstandes
entspricht, sind das Meßgerät 27, der Gleichrichter 29 und die Widerstände 30, 31
von den Wicklungen 17 und 19 abgeschaltet, während der Gleichrichter 28 an das Meßgerät
18 und die Speisequelle 4 an die Wicklung 17 geschaltet sind.
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Im Meßbetrieb ist die Arbeitsweise dieser Einrichtung der der gemäß
Fig. 1 beschriebenen für die Schalterstellung I1 ähnlich.
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In der Stellung C des Schalters 6 arbeitet die Einrichtung im Falle
eines Durchschlags am positiven Pol ähnlich wie die gemäß Fig. 1 beschriebene Einrichtung
mit dem Unterschied, daß den Durchschlag das Meßgerät 27 meldet, über das sich der
Stromkreis vom Gleichrichter 28 zum Widerstand 31 schließt. Die Polarität des Gleichrichters
28 und des Meßgerätes 27 ist derart gewählt, daß der Zeigerausschlag zur positiven
Seite erfolgt.
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Bei einem Durchschlag am negativen Pol fließt der Strom unter der
Wirkung der Spannung im Läuferkreis 1 vom Punkt 13 zum Punkt 14 über die Diode 26
und weiter über die Widerstände 16 und die Wicklung 12. Infolgedessen wird bei der
Drehung der Wicklungen 11 und 12 in der Wicklung 19
keine EMK induziert,
während in der Wicklung 17 eine EMK induziert wird. Diese EMK erzeugt über den Gleichrichter
29 und den Widerstand 30 im Meßgerät 27 einen Strom von umgekehrter Polarität, der
den Zeiger nach der negativen Richtung ablenkt.
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Zur Erfassung des Einflusses der Spannung im Läuferkreis 1 auf die
Meßergebnisse ist es erforderlich, in der Stellung I des Schalters 6 zusammen mit
dem Isolationswiderstand R , der an der Widerstandsskale gemessen wird, auch die
entsprechende Spannung Uo und in der Stellung C des Schalters 6 das Signal U an
der Spannungsskale des Meßgerätes 18 zu messen. Bei U > 0 geschieht die genaue
Berechnung des Isolationswiderstandes R nach der Formel
Bei U < 0 erfolgt die Berechnung des Isolationswiderstandes R nach der Formel:
Hierin sind A, B = experimentelle Erfahrungskoeffizienten (bzw theoretische Koeffizienten)
; K = 0; R22 = Widerstandswert der Wicklung 22.
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Der Potentialnullpunkt 13 kann konstruktiv schwer zugänglich sein,
zum Beispiel bei einer Gleichrichterschaltung der Synchronmaschine 2, die in Stern-Mittelpunktschaltung
ausgeführt ist. In diesem Fall kann man zur Sicherung der Funktion der Einrichtung
einen künstlichen Potentialnullpunkt mit Hilfe von zwei Widerständen mit relativ
großem Widerstandswert erzeugen. Jedoch benötigt man zu deren Anordnung zusätzlichen
Platz am Läufer und eine Wärmeabfuhr für die Widerstände, was insgesamt die Konstruktion
kompliziert und die Abmessungen erhöht.
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Zwecks Verminderung der Abmessungen der Einrichtung wird als Potentialnullpunkt
des Läuferkreises 1 die Mittelanzapfung 32 der Induktorwicklung 22 des Induktionsspannungsmessers
7, wie in Fig. 3 gezeigt ist, benutzt.
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Die Arbeitsweise der Einrichtung ist in diesem Fall der Arbeitsweise
der Einrichtung gemäß Fig. 2 ähnlich mit dem Unterschied, daß als Potentialnullpunkt
13 der Punkt 32 dient, während in den Formeln zur Berechnung der Isolation der Koeffizient
K = 0,25 gesetzt wird Konstruktiv ist es vorteilhaft, den rotierenden Teil 15 der
Einrichtung zu einem Ganzen zusammenzubauen. Dementsprechend ist es zweckmäßig,-
daß die Wicklungen 17, 19, 20 und 23 auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht
sind.
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Falls hierbei die Wicklung 23 zwecks Reduzierung der Pulsierung der
Meßspannung dreiphasig ausgeführt ist, ist es zur Verminderung der Abmessungen der
gesamten Einrichtung zweckmäßig, die Wicklung 23 nach der in Fig. 4 gezeigten Schaltung
auszuführen.
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ELektrisch ist dLe Wicklung 23 zweilagig und konstruktiv
vierlagig
ausgeführt, demgemäß bei einer Phasenzahl m = 3 und einer Polzahl, die ein Mehrfaches
der Zahl der konstruktiven Lagen ist, sämtliche Wicklungsköpfe der Wicklung 23 einander
nicht schneiden, wobei die elektromagnetische Symmetrie der Wicklung erhalten wird,
und in eine zur Drehachse senkrechte Ebene gelegt sind Dadurch wird die Reduzierung
der Axialabmessungen der Einrichtung erreicht, was wesentlich für Anlagen mit bürstenloser
Erregung ist. In Fig. 4 sind Kernnuten 1' + 24', Einlegestücke 33 aus Isolierstoff,
die die Hohlräume in den Kernnuten 1' + 24' ausfüllen, und Wicklungsausführungen
cl, C2, C3, C4, C5, C6 gezeigt.
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Die Einrichtung nach Fig. 1 und 2 kann getrennt in Form von zwei
gesonderten Einrichtungen - eine für die Messung des Isolationswiderstandes und
die andere für die Messung der Spannung - ausgeführt werden, wobei die Anwendung
einer der erwähnten Einrichtungen nicht unbedingt die Anwendung der anderen zur
Folge hat Ein Modell~ der erfindungsgemäßen Einrichtung wurde angefertigt und erprobt
und sodann ein Versuchsmuster der Einrichtung für einen bürstenlosen Turbogenerator
mit einer Leistung von 200 MW hergestellt.
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Die Erprobung des Modells und des Versuchsmusters verlief erfolgreich.
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Ein weiteres Muster einer Einrichtung für einer bürstenlosen Turbogenerator
mit einer Leistung von 300 MW befindet sich im Bau, während für eine Einrichtung
für Maschinen mit einer Leistung von 500 bis 1200 MW die Entwurfsarbeiten abgeschLossen
sind.