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Verfahren zum Prüfen von Spulen bzw. Messung von Windungsschluß Es
sind Einrichtungen zur Prüfung von Spulen auf Windungsschluß bekannt, die im wesentlichen
eine Strom- oder Spannungsmessung bzw. teine Widerstandsmessung ergehen. In dem
einen Fall benutzt man einen eisengeschlossenen Transformator, auf dessen abnehmbares
Joch die Prüfspule aufgesetzt wird. Im anderen Falle sind neben den Anzeigeinstrumenten
noch Meßbrücken erforderlich. Die bekannten Anordnungen sind einerseits nicht empfindlich
genug, um allgemein, besonders auch für dünndrähtige Spulen angewendet zu werden,
andererseits erfordern sie recht umfangreiche Meßarbeiten und unter Umständen Rechenoperationen.
Diese Nachteile werden durch das erfindungsgemäße 9+erfahren dadurch beseitigt,
daß die zu prüfende Spule und eine in Reihe gegen sie gescha.ltete Vergleichsspule
mittels veränderlicher Kopplung lein resultierendes Feld in einer Meßspule erzeugen,
das eine Spannung induziert, die nach ihren Komponenten ausgemessen wird, wobei
die Kopplung so eingestellt wird, daß die in der Meßspule induzierte Gesamtspannung,
die als Maß für die kurzgeschlossenen Windungen dient, eine Phasenverschiebung von
900 gegenüber derjenigen Meßspulenspannung hat, die bei gleichem Strom durch die
Vergleichsspule allein induziert wird oder bei gleichem Strom in Prüf- und Vergleichsspule
und nur loser Ankopplung einer dieser Spulen entsteht. Die Ausmessung der interessierenden
Spannungen erfolgt erfindungsgemäß durch ein von der Meßspule über einen an sich
bekannten Schwingkontaktgleichrichter mit einstellbarer Schaltphase gespeisten Gleichstromeßinstrument
hoher Empfindlichkeit. Auf diese Weise wird erreicht, daß der ganze Meßvorgang weitgehend
mechanisiert wird, da im wesentlichen nur drei Spannungen und damit drei Ausschläge
des Meßinstrumentes zu beobachten
sind. Dies geschieht im allgemeinen
so, daß bei in das zur Ausübung des Verfahrens bestimmte Gerät eingebrachter und
mit der Vergleichsspule in Reihe geschalteter Prüfspule zunächst bei äußerst loser
Kopplung zwischen der Vergleichsspuie und der Meßspule eine Spannung in der Meßspule
erzeugt wird und daß durch Änderung der Schaltphase eines Schwingkontaktgleichrichters,
der diese Spannung gleichzurichten hat, ein maximaler Ausschlag an dem zur Verwendung
gelangenden Meßinstrudient eingestellt wird. Alsdann wird durch Veränderung der
Kopplung zwischen der Vergleichsspule und der Meßspule der Ausschlag am Meßinstrument
auf den Wert Null gebracht, d. h. bewirkt, daß die Wirkung der Prüfspule und der
Vergleichsspule in bezug auf die Meßspule sich bei der eingestellten Schaltphase
gegenseitig aufheben. Für den Fall, daß in der Prüfspule Windungsschluß vorhanden
ist, d. h. daß sie eine oder mehrere Kurzschlußwicklungen enthält, verbleibt dann
in der Meßspule eine Restspannung, die von den in den Kurzschlußwindungen induzierten
Kurzschlußströmen induziert wird und nur deshalb nicht angezeigt wird, weil die
Kurzschlußströme etwa 90° phasenverschoben sind gegenüber dem Primärstrom.
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Es wird daher nach Herstellung des Spannungswertes Null die Schaltphase
des Schwingkontaktgleichrichters um 90 gedreht. Bleibt der Ausschlag des Meßinstrumentes
Null, so ist dies ein Zeichen dafür, daß die Prüfspule in Ordnung ist. Ergibt sich
ein Ausschlag, so ist in der Prüfspule Windungsschluß vorhanden, der die durch das
Meßinstrument angezeigte Spannungskomponente zur Folge hat, die den Kurzschlußamperewindungen
proportional ist. Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Prüfspule
und die Vergleichsspule nicht notwenig gleiche Windungszahl und gleichen Querschnitt
haben müssen und daß dennoch ohne weiteres sowohl eine qualitative als auch eine
quantitative Feststellung möglich ist.
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Das Verfahren wird erläutert für den Fall, daß die Kurzschlußamperewindungen
gegenüber den Primäramperewindungen eine Phasenverschiebung von etwa 90° haben.
Diese Bedingung ist im allgemeinen erfüllt, nämlich dann, wenn der Widerstand des
Kurzschlußstromkreises rein Ohmsch ist. In manchen Fällen trifft das jedoch nur
angenähert oder gar nicht zu. wenn nämlich in den KurzschluB-windungen auch der
induktive Widerstand einen im Verhältnis zum Ohmschen Widerstand merklichen Betrag
hat. Auch in diesem Falle führt das angegebene Verfahren zum Ziel, indem es nur
die Wirkkomponente der Kurzschlußamp erewindungen zur Anzeige bringt, die gegen
die Primärainperewindungen 900 phasenverschoben sind.
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Es ist natürlich möglich, die Prüfungen von vornherein darauf abzustellen,
daß die von der Prüfspule in einer Meßspule induzierte Spannung in zwei Komponenten
zerlegt wird, und zwar in eine Komponente, die 90 phasenverschoben ist gegenüber
dem Pri märstrom und in eine zweite, die mit dem Primärstrom in Phase ist. Diese
zweite Komponente muß bei eisenkernloser Prüfspule ohne Windungsschluß zu Null werden,
da die induzierte Spannung u = M # di1, die von dt dem Primärstrom i1 induziert
wird, nach der angeschriebenen Gleichung um genau 90 -gegen diesen Strom verschoben
sein muß.
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Findet man daher eine Restkomponente, so ist das ein Zeichen dafür,
daß die gesamten Amperewindungen außer von dem Primärstromi, auch noch von einem
durch Kurz schlußwindungen erzeugten Kurzschlußstrom ik gebildet werden, der sich
also auf diese Weise nachweisen läßt. Dieses an sich mög lichte Verfahren ist jedoch
nur anwendbar, wenn die Kurzschlußamperewindungen zum mindesten einige Prozent der
Primäramperewindungen ausmachen, da sonst die zu messende Spannungskomponente zu
klein ist gegenüber der gegen den Primärstrom um 90° phasenverschobenen Komponente
und daher nicht genau erfaßt werden kann. Beträgt z. B. die Einstellgenauigkeit
der Phasenlage des Meßgleichrichters + 1°, was schon als sehr gut bezeichnet werden
muß, so würde bei einer Spule, bei der die Kurzschlußamperewindungen 20/0 von den
Primärwindungen ausmachen, der gemessene Wert a in dem Bereich von 0,02 - #/180
α 0,02 + #/180 < < 0,02 αm 0,02 streuen, wobei αm der mittlere
Anzeigewert ist, d. h. der Ausschlag würde zwar stets das bei Kurzschlußwindungen
zu erwartende Vorzeichen haben, aber in seiner Größe im Verhältnis 1:15 unsicher
sein. Man könnte also hier bereits nur noch gerade eben nachweisen, daß Kurzschlußwindungen
vorhanden sind, aber man könnte keine brauchbare Aussage mehr über die Zahl der
kurzgeschlossenen Windungen machen.
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Es kommt noch hinzu, daß das über den MeI?gleichrichter angeschlossene
Gleichstrominstrument bei der Messung der kleinen Spannungskomponenten einen zusätzlichen
Wechselstrom führt von der Größenordnung des MNePJinstrumentenstromes bei der Messung
der großen Spannungskomponente. Da eine aber lastung des Meßinstrumentes und ein
Vibrieren des Zeigers vermieden werden muß. ist
es daher nicht möglich,
die Empfindlichkeit dieses Verfahrens dadurch zu erhöhen, daß man die Meßinstrumentenempfindlichkeit
den zu messenden kleinen Spannungskomponenten anpaßt. Man muß vielmehr dafür sorgen,
daß auch bei der Messung der großen Spannungskomponente das Anzeigeinstrument nicht
mehr Strom enthält, als etwa dem doppelten Vollausschlag entspricht. Im obigen Beispiel
hätte dann der Anzeigewert a zwischen 0,2s und 4% vom Vollausschlag gestreut und
wäre denniach nur eben nachweisbar gewesen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dagegen wird die vom Primärstrom
der Prüfspule in der Meßspule induzierte Spannung gegen die von der Vergleichsspule
induzierte Spannung kompensiert. Die gesamte verbleibende Restspannung in der Meßspule
ist daher ein Maß für die Kurzschlußamperewindungen. Die Meßinstrumentenempfindlichkeit
kann also an die zu messenden kleinen Spannungswerte angepaßt werden, und ein Phasenfehler
von mehreren Winkelgraden ruft bei der Messung nur Anzeigefehler hervor, die weit
unter 1% bleiben. Die Flußverkettung für die Kurzschlußwindungen ist dagegen durch
die Vergleichsspule nicht kompensiert, da die Kurzschlußwindungen mit der Prüfspüle
ungleich viel enger gekoppelt sind als mit der Vergleichsspule. Die Kurzschlußamperewindungen
werden durch die Vergieichsspule somit kaum geschwächt. Sehr vorteilhaft ist es
weiterhin, daß durch die Vergleichsspule, insbesondere bei der Prüfung von großen
Rahmenspulen die Streufelder kompensiert werden. Bereits im Innern von Rahmenspuien
wird das Spulenfeld im wesentlichen kompensiert, wenn der Spulenabstand von Prüf-
und Vergleichsspule klein ist gegenüber dem Durchmesser oder den Kantenabmessungen
der Spulen. Ein in der Nähe befindliches Blech oder sonstiger Metall- oder Eisenteil
kann daher bereits keine Störwirr kung durch Wirbelströme verursachen.
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Der durch die Erfindung erreichte Fortschritt wird an folgen dem
Beispiel deutlich: Zu prüfen sei eine quadratische Boulenger-Rahmenspule von n =
400 Wdg, R = 200 #, mit 1 m Kantenlänge, wie sie z. B. für v0-Meszungen in der Ballistik
verwendet wird. Der Durchmesser des Drahtbündels beträgt etwa 1 cm, der zulässige
Primärstrom i1 = 1 too-mA.
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Als Frequenz wird die Netzfrequenz von 50 Hz gewählt, um die üblichen
Schwingkontaktmeßgleichrichter verwenden zu können. Als V;ergleichs- und Meßspule
werden Spulen gleicher Art wie die Prüfspule verwendet. Der Abstand zwischen den
Spulenebenen beträgt 5 cm, wobei die Meßspule in der Mitte liegt.
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Angenommen sei, daß eine einzige Windung der Prüfspule Windungsschluß
hat, was bereits nachgewiesen werden soll. Die in der Kurzschlußwindung induzierte
Spannung berechnet sich dann zu uk=4,44#50#1#0,6#40#400#10-8V=21,3mV unter Berücksichtigung
der Gegenamperewindungen der Vergleichsspule. Der Ohmsche Widerstand r= R = 0,5
#, die Kurzschlußn amperewindungen ik zu ik = u/r = 42 mA, das sind im Verhältnis
zu den primären Amperewindungen i,. n = 400 @ 100 mA= 40 A rund nur 1%, also nur
1/20 von dem Grenzwert, der sich nach dem vorstehenden mit dem bekannten @ Verfahren
bereits nur noch eben nachweisen läßt. Dieser Kurzschlußstrom induzilert in der
Meßspule eine Spannung von ux=4,44#50#400#112#0,042#10-8V=0,4mV eff.
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Dler Meßgleichrichter liefert dann eine mittleere Gleichspannung von
11= 0,18 mV. Mit einem Meßinstrument von 50X10-6 A Vollausschlag und 200 Q, wie
es als tragbares Zeigergalvanometer ausgeführt wird, ergibt sich dann ein Ausschlag
von etwa 1 % des Vollausschlages, der also noch gut nachweis bar ist. Das Meßverfahren
ist also für Bedingungen brauchbar, die nur t/20 des Meßeffektes liefern, wie der
geschilderte Grenzwert bei dem bekannten Verfahren.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Gemäß Fig. I ist in einem Gestell I an einem Rahmen 2 eine Vergleichsspule
3 befestigt.
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Der Rahmen 2 gleitet in Führungen 4 und ist mit dem Handgriff 5 verstellbar.
An einer in dem Rahmen I sitzenden, aus nicht magnatischem Material hergestellten
Platte 6 ist eine Meßspule 7 befestigt. Gegen die Platte 6 kann sich die Prüfspule
8 legen, die lose in das Gestellt eingefügt wird und sich einerseits an leinen Ansatz
9 anlegt, andererseits durch die Lasche o.dgl. 10 festgelegt wird. Das Gestell ist
vorzugsweise aus Holz gefertigt, der Rahmen 2 sowie die Platte 6 werden zweckmäßig
aus Preßzell o.dgl. hergestellt.
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Fig. 2 zeigt die Schaltung der Prüfeinrichtung. 3 ist die Vergleichsspule,
8 die zu prüfende Spule. 7 ist die Meßspule. Die Spulen 3 und 8 sind gegeneinander
geschaltet an die Wechselspannungsquelle 11 angeschlossen.
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Der die Spulen durchfließende Strom kann durch ein Amperemeter 12
angezeigt und durch einen Regelwiderstand I3 eingeregelt werden. Ein besonderer
Schutzwiderstand 14, der bei richtig eingestelltem Strom kurzgeschlossen ist, dient
dazu, den die Spulen 3 und 8 durchfließenden Strom zu begrenzen.
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An die Meßspule 7 ist über den Schwingkontaktgleichrichter 15 bekannter
Bauart, wie
er z. B.in den deutschen Patentschriften 646 357 bzw.
685 800 beschrieben ist, das empfindliche Gleichstrominstrument 16 angeschlossen.
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Die Meßinstrumente bzw. Scbalterbedienungsbandgriffe sind zweckmäßig
in einem Meßkoffer untergebracht, von dessen Frontseite die Instrumente abzulesen
bzw. die Bedienungshandgriffe, Schalter usw. zu betätigen sind.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung ergibt sich aus dem Diagramm Fig.
3. Hier bedeuten JN und Jx die in der Vergleichsspule 3 bzw. in der zu prüfenden
Spule 8 -fließenden Ströme. Dler Vektor eo stellt die in der Meßspule seitens des
Stromes 1N induzierte sekundäre Spannung dar bei der zunächst gewählten losen Ankopplung
der Vergleichsspule. Der Vektor Esx stellt die in der Meßspule seitens des in der
Prüfspule 8 fließenden Stromes JX induzierte Spannung dar. Dieser Strom setzt sich
zusammen aus dem eigentlichten Primärstrom JX und dem Strom der Kurzschlußwindungen
JK. Dementsprechend setzt sich Esx zusammen aus Esx o und ER.
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Ist die Kopplung zwischen der Vergleichsspule 3 und der Meßspule 7
so lose, daß im wesentlichen nur das Feld der Spule 8 auf die Spule 7 einwirkt,
so hat die in dieser Spule induzierte Spannung ihren Höchstwert.
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Dies ist indessen im allgemeinen nicht notwendig; es genügt eine mehr
oder weniger große Verstellung der Spule 3, z. B. eine halb so enge Ankopplung der
Vergleichsspule als der Prüfspule, um einen bestimmten resultierenden Spannungsbetrag
ER = ES0 # ESK zu erzeugen. Dabei soll durch diese Darstel lungsweise der Vektorcharakter
der Gleichung ausgedrückt werden. Durch die Einstellung der Schaltphase des Schwingkontaktgleichtrichters,
d. h. durch Drehen an einem Abstimmknopf, der z. B. das Drehfeld des Meßgleichrichters
verstellt, in dem dessen Schaltmagnet schwingt, wird die Schaltphase des Schwingkontaktgleichrichters
auf die Phase der in der Spule 7 resultierenden Spannung ER so weit eingestellt,
daß an dem Meßinstrument 16 ein maximaler Ausschlag folgt. Die Schaltphase liegt
dann in der strichpunktierten Richtung 1...1. Alsdann wird die Kopplung zwischen
der Spule 3 und der Spule 7 durch Annäherung der Spule 3 an die Spule 7 fester gemacht
und so lange verändert, bis der Ausschlag des Meßinstrumentes den Wert Null hat.
Die von JN induzierte Spannung ist dann Esl und die in der Meßspule resultierende
Gesamtspannung ER = ES1 # ESX.
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Nunmehr wird durch Drehen des Abstimmknopfes des Schwingkontaktgleichrichters
dessen Schaltphase um 90c in die Richtung 2... 2 geändert. Erfolgt nach dieser Einstellung
ein Ausschlag des Meßinstrumentes 16 entsprechend ER1, SO hat die Prüfspule 8 Windungsschluß.
Aus dem Betrag der vom Instrument 16 angezeigten Spannung geht die Anzahl der kurzgeschlossenen
Windungen hervor, da ER1, wie man sieht, nahezu mit EK übereinstimmt. Das Vorhandensein
dieser Spannungskomponente ist also ein Zeichen dafür, daß Windungsschluß vorliegt;
ihr Betrag ist der Anzahl der kurzgeschlossenen Windungen proportional. Man kann
sich leicht überzeugen, daß das Verfahren auch dann zum Ziel führt, wenn JK nicht
genau in Phase ist mit Esxo. Eine genaue Übereinstimmung zwischen ER1, und EK findet
man bei Phasengleichheit zwischen JK und ESX0, wenn man die Schaltphase 1... 1 abgleicht
bei abgeschaltetem Strom. Durch hohe Vorwiderstände muß man dann aber dafür sorgen,
daß die Phasenlage des Primärstromes bei dem Hinzuschalten der Prüfspule JX gegenüber
der Schaltphase des Meßgleichrichters erhalten bleibt.
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Dler Meßfehler, der dadurch entstehen kann. daß bei dem zuerst beschriebenen
Verfahren keine genaue Reproduzierbarkeit der zunächst eingestellten losen Ankopplung
der Vergleichs spule vorliegt, ist sehr gering. Er ist höchstens dem Unterschied
der Beträge von ER und ER1 entsprechend, da der Betrag von ER1 als Maß für ER gilt.
Dieser Unterschied ist im allgemeinen noch viel kleiner als aus Fig. 3 ersichtlich,
wo er bei JK o, I 7 bereits nur 5% ausmacht, da das Verfahren insbesondere für solche
Fälle vorteilhaft angewendet wird, in denen die Kurzschlußamperewindungen JK sehr
klein gegen die Primäramperewindungen JX sind. Den Proportionalitätsfaktor zwischen
Meßinstrumentausschlag und der gesuchten Zahl n der Kurzschlußwindungen findet man
vorzugsweise empirisch, indem man den Ausschlag für eine bestimmte Zahl n0 zusätzlich
dicht neben der Prüfspule angebrachter kurzgeschlossener Windungen gleichen leitungsdrahtes
ermittelt.