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Kurzschlußwindungsprüfgerät
Es sind bereits Kurzschlußprüfvouichtungen
bekannt, die ein magnetisches Doppeljoch verwenden, bei dem auf jedem Jochschenkel
eine Spule sitzt.
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Diese Spulen liegen im allgemeinen in einer elektrischen Brückenschaltung,
in der das Anzeigeinstrument zwischen zwei Punkten gleichen Potentials liegt. Wird
der Widerstand eines Zweiges durch eine Kurzschlußwicklung geändert, so zeigt dies
das Instrument an.
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Derartige Kurzschlußprüfer haben jedoch den Nachteil, daß sie auch
einen Kurzschluß anzeigen, wenn die Brückenschaltung durch größere Eigenkapazität
der Prüfspule aus dem Gleichgewicht gebracht wird.
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Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung beseitigt.
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Das erfindungsgemäße Kurzschlußwindungsprüfgerät wurde auf Grund
von Versuchen entwickelt und benutzt im wesentlichen eine spezielle Meßschaltung
zur Anzeige von etwaigen Kurzschlüssen im Prüfobjekt in Verbindung mit einem speziell
ausgeführten magnetischen dreischenkligen Kern, im folgenden als Brückenjoch bezeichnet,
auf welchen das zu untersuchende Prüfobjekt zwecks Vornahme der Prüfung aufgebracht
wird.
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Erfindungsgemäß wird eine Kurzschlußwirdungs prüfeinrichtung mit
einem magnetischen Brückenjoch, bei dem der Steg durch Wechselstrom erregt wird
und die zu prüfende Spule auf einem Jochschenkel sitzt, derart ausgebildet, daß
die Kurzschlußanzeige mittels eines Strommeßgerätes erfolgt, das in dem über eine
Wicklung des Steges geführten Ausgangsstromkreis einer Verstärkerröhre liegt, während
das Steuergitter der Verstärkerröhre durch die Differenzspannung zweier Spulen,
die auf den Jochschenkeln beider Zweige des Brückenjoches sitzen, so gesteuert wird,
daß im Leerlauf während der positiven Anodenspannungshalbwelle die Gitterspannungskurve
einen in Richtung positiver Werte ansteigenden Verlauf hat und die Bemessung der
Zweige des Brückenjoches so
gewählt ist, daß die Gitterspannung
bei Leerlauf der Prüfspule eine gegenüber der Anodenspannung um vorzugsweise 90°
nacheilende Phase aufweist. Zweckmäßigerweise werden die Brückenzweige der magnetischen
Brücke durch je einen Jochbügel magnetisch geschlossen und ein einstellbarer Luft
spalt derart angeordnet, daß der raagnetische Widerstand des nicht die Prüfspule
enthaltenden Brückenzweiges einstellbar ist. Weiterhin ist es zweckmäßig, im Steg
einen Luftspalt anzuordnen, dessen magnetischer Widerstand größer, insbesondere
mehr als doppelt so groß ist wie der magnetische Widerstand des Luftspaltes, welcher
in dem magnetischen Brückenzweig liegt, der nicht die Prüfspule trägt. Es ist ferner
günstig, wenn die Erregung des Joches durch einen Wechselstrom von vorzugsweise
etwa 500 Hz erfolgt, welcher durch einen Rückkopplungsgenerator erzeugt wird, dessen
Anoden- und Gitterwicklung den Steg des magnetischen Brückenjoches umschließen.
Zur Erzielung einer hohen Anzeigeempfindlichkeit des Kurzschlußwindungsprüfgerätes
sollen die Elektrodenspannungen der in die Meßeinrichtung eingeschalteten Verstärkerröhre
derart eingestellt sein, daß im Leerlauf, also wenn im Prüfobjekt kein Kurzschluß
vorhanden ist, die Verstärkerröhre gerade knapp geöffnet ist. Aus demselben Grund
ist es vorteilhaft, durch entsprechende Bemessung der Anodenwindungszahl, der Luftspalte
und durch zusätzliches Parallelschalten von Kapazitäten zu den Teilspulen Oberwellen
solcher Amplitude und Phasenlage zu erregen, daß die Steuerspannung bei Leerlauf
der Prüfspule im wesentlichen parallel zu der Sperrspannungskurve verläuft.
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Im nachstehenden wird die Erfindung an Hand der ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Figuren näher beschrieben. Es zeigt Fig. I schematisch Aufbau und
Schaltung eines erfindungsgemäßen Kurzschlußwindungsprüfgerät s, wobei alle zum
Verständnis der Erfindung unwesentlichen Einzelheiten fortgelassen sind, Fig. 2
die an den Spulen des Kurzschlußwindungsprüfgeräts auftretenden Spannungsverläufe
bei verschiedener Belastung der Prüfspule, Fig. 3ª den anzustrebenden Spannungsverlauf
an den Elektroden einer Pentode, Fig. 3 b den anzustrebenden Spannungsverlauf an
den Elektroden einer Triode.
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Der in Fig. I dargestellte dreischenklige magnetische Kern, das Brückenjoch,
besteht aus den durch einen Luftspalt s1 getrennten Stegteilen I mit den vier Jochschenkeln
2, 3, 4 und 5 sowie den beiden Außenschenkeln oder Jochbügeln 6 und 7. Zwischen
dem Jochschenkel 5 und dem Jochbügel 7 befindet sich ein einstellbarer Luftspalt
s2. Auf dem Steg befindet sich die von einem sinusförmigen Wechselstrom von 500
Hz durchflossene Erregerwicklung I, ferner die Anodenwicklung II. Auf dem Schenkel
4 ist die zu untersuchende Prüfspule 8, beispielsweise ein Transformatorwickel,
der auf das Vorhandensein von Kurzschlußwindungen geprüft werden soll. Die Belastung,
welche durch die gegebenenfalls vorhandenen Kurzschlußwindungen auftritt, ist symbolisch
durch den Widerstand R angedeutet. Auf den Jochschenkeln 4 und 5 befinden sich ferner
die beiden Wicklungen IIIa und Ilib, welche gleiche Windungszahl haben und derart
gegeneinander geschaltet sind daß bei gleicher Durchflutung der Schenkel die in
den beiden Spulen induzierten Spanmingen sich nahezu kompensieren. Diese beiden
Spulen lila und IIIb liegen im Steuergitterkreis der Verstärkerröhre IO, in deren
Anodenkreis die auf dem Steg I befindliche Anodenwicklung II sowie das Anzeigeinstrument
1 r eingeschaltet sind.
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Durch die Erregerwicklung I wird in dem Steg I ein magnetischer Kraftfluß
01 erzeugt, welcher sich entsprechend den magnetischen Widerständen auf die beiden
magnetischen Zweige verteilt, welche einerseits aus den Jochschenkeln 2 und 4 und
dem Jochbügel 6, andererseits aus den Jochschenkeln 3 und 5 und dem Jochbügel 7
bestehen. Das Joch ist hinsichtlich der beiden magnetischen Zweige nicht symmetrisch
aufgebaut. Durch entsprechende Einstellung des Luftspaltes s2 wird der magnetische
Widerstand der beiden Brückenzweige einander gleich gemacht. In den beiden Brückenzweigen
entstehen jedoch verschieden große Verluste, was zur Folge hat, daß durch Gegeneinanderschaltung
der Spulen IIIa und IIIb am Steuergitter der Verstärkerröhre In eine nicht kompensierte
restliche Steuerwechselspannung llgL entsteht.
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Diese Spannung ist gegenüber der in der Wicklung II erregten Anodenspannung
110 um go" nacheilend phasenverschoben. Die allgemeine Form der an den beiden Spulen
lila und IIIb entstehenden Spannung wird durch die Gleichungen (I) wiedergegeben:
Hierbei bezeichnet 02 den Kraftfluß durch den Jochschenkel 5 und die Spule lila,
03 den Kraftfluß durch den Jochschenkel 4 und die Spule IIIb, F1 den Querschnitt
des Luftspaltes sl, F2 den Querschnitt des Luftspaltes s2, R die Ohmsche Komponente
des pselastullgswider standes , L4 die Induktivität der Prüfspule, M eine Konstante,
wenn <P, 2 Mit dieser Gleichung (1) lassen sich die einzelnen Belastungsfälle
übersehen. Sie sind in Fig. 2 graphisch dargestellt: Für Leerlauf (Ro aD) u)und
2 = 03 wiul 2L =j M ua ko (2) #gL eilt ZX, a um 90° nach.
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Für galvanischen Kurzschluß (induktive Belastung: R4 # « &>
L4) und q)2 = 03 wird
U¢R eilt etwas weniger als I80° gegenüber 1ta nach.
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Im Grenzfall wird - M Ua (I + k) Für kapazitive Belastung
wird
Solange 02 = #3, #² L C # I und so R4 < I-#²L4C ist, eilt U6,e weniger als go"
gegenüber 11a nach.
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Der Grenzfall: #gC mit #a in Phase wird jedoch nicht erreicht. Die
Tendenz ist also die, daß bei induktiver Belastung (Kurzschluß) die Gitterspannung
gegenüber der Leerlaufspannung eine nacheilende und bei kapazitiver Belastung (Eigenkapazität)
eine voreilende Komponente erhält. Werden Gitter- und Anodenspannung so gewählt,
daß im Leerlauf die Gitterspannungskurve einen in Richtung positiver Werte ansteigenden
Wert während der positiven Anodenspannungswelle hat, und wird die Schirmgitterspannung
Um oder bei Trioden die Gittervorspannung Us, der Röhre so gewählt, daß die Stromdurchlässigkeit
der Röhre in der Nähe des Nulldurchganges der Anodenspannung einsetzt (Punkt a in
Fig. 2 und3),so wird die Röhre sowohl bei Ohmscher als auch bei kapazitiver Belastung
während der ganzen positiven Anodenspannungshalbwelle durchlässig, so daß der Stromanzeiger
seinen größten Ausschlag anzeigt. Bei induktiver Belastung (Kurzschluß) dagegen
wird die Röhre erst von dem Zeitpunkt b an geöffnet, so daß die Gesamtöffnungszeit
und damit der Instrumentenausschlag zurückgeht. Würde die Ohmsche Spannungskomponente
(Eisenverluste) fehlen, so würde eine Unterscheidung zwischen galvanischem und kapazitivem
Kurzschluß nicht möglich sein.
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Erst wenn bei kapazitiver Belastung die Parallelkapazität so groß
wird, daß w2 L4 C g I wird, nähert sich uyc (I + k) M U", so daß eine Rückverschiebung
der U¢c = Kurve eintritt und Öffnungszeit und Instrumentenausschlag zurückgehen.
Aber auch in diesem Belastungsfall ist eine Beurteilung möglich, ob kapazitiver
oder Ohmscher Kurzschluß vorliegt, und zwar durch langsames Anheben des Jochbügels
des Jochzweiges, auf dem die Prüfspule sitzt. Durch Aufheben des Jochbügels wird
sowohl #3 als auch L4 kleiner. Es wird also in der Gleichung (4) in einem Öffnungszustand
des Joches
und 11,co J ltako, d. h. daß #gC0 der Gitterspannung im Leerlauf gleichkommt und
das Instrument Vollausschlag zeigt. Liegt dagegen keine kapazitive Belastung, sondern
Kurzschluß vor, so wird sich bei Jochöffnung nach der Gleichung (3), da L4- o und
q)3 kleiner wird als #2: uYR dem Wert - M lla nähern, d. h. Öffnungszeit und Instrumentausschlag
werden kleiner. Somit ist eine Kurzschlußbeurteilung auch bei Spulen mit großer
Eigenkapazität möglich. Eine Grenze ist dadurch gesetzt, daß der Wert
bei vollkommen geöffnetem Joch auftritt. Praktische Grenzwerte lagen bei einer Spule
mit 5000 Windungen, R = 600 fl bei einer Zusatzkapazität von 25 ooo pF.
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Um die Empfindlichkeit des Gerätes zu erhöhen, wird auch der Steg
des Joches mit einem Luftspalt s1 versehen, so daß der magnetische Widerstand des
Steges größer, z. B. doppelt so groß ist als der eines Schenkels. Es wird in diesem
Fall,
so daß bei Kurzschluß in der Gleichung (3) die ausschlagändernde Komponente
gegenüber bei einem Steg ohne Luftspalt (k = o) um 65°lo ansteigt.
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Eine weitere Empfindlichkeitssteigerung wird dadurch erreicht, daß
durch geeignete Wahl von nl, n2 und n3, des Luftspaltes s2 und durch Parallelschaltung
von Kapazitäten zu den Teilspulen in der Gitterspannung die Oberwellen so ausgebildet
werden, daß die Leerlaufspannung 1!1S,L möglichst lange parallel zu der Sperrspannungskurve
S (in Fig. 3) verläuft.
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Hierbei ist unter Sperrspannung die Gitterspannung zu verstehen, bei
der der Stromdurchgang gesperrt wird. Bei Trioden und Pentoden verläuft diese Sperrspannung
verschieden infolge des verschiedenen Durchgriffes der Anodenspannung. Der entsprechende
Kurvenverlauf ist in Fig. 3ª für Schirmgitterröhren und Fig. 3 b für Trioden dargestellt.
Durch eine Kurzschlußwicklung wird nämlich nicht nur die Phase der Gitterspannung
geändert, sondern durch Verringerung der Teilspannung an n3 die Gesamtspannung an
n2 und n3 vergrößert, derart, daß die
Gitterspannung über einen
größeren Zeitabschnitt dicht oberhalb der Sperrspannungskurve s verläuft (Kurve
¢L in Fig. 3a und 3b). Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Leerlaufgitterspannung
wird bei geringer Amplitudenänderung der Gitterspannung eine nahezu gleichzeitige
Sperrung der Verstärkerröhre über einen großen Bereich a-b der Sperrspannungskurve
s und damit ein starker Stromrückgang erreicht. Daß beide Jochzweige durch einen
Bügel magnetisch geschlossen werden, bringt außer der oben beschriebenen Möglichkeit
der Prüfung von Spulen mit großer Eigenkapazität den Vorteil, daß nur sehr wenig
Kraftlinien radial durch die Prüfspule treten, wodurch auch die Prüfung von Spulen
ermöglicht wird, die als Schutzwicklung eine Folie besitzen.
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Das Prüfgerät kann auch anstatt zur Prüfung von Spulen zur Prüfung
von fertig'gewickelten Ankern benutzt werden, wenn diese magnetisch in den Prüfzweig
des Joches eingeschaltet werden. Zu bemerken ist noch, daß bei einer Umpolung der
Gitter- oder Anodenspannung bei umgekehrten Ausschlagsrichtungen des Instrumentes
eine kapazitive Belastung angezeigt wird, eine induktive dagegen nicht.
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Bei einem gemäß den vorstehenden Lehren ausgeführten Gerät wird die
Prüfung auf Kurzschluß folgendermaßen vorgenommen: Der Jochbügel 6 ist abnehmbar
bzw. beweglich angeordnet und liegt mit einem durch einen Anschlag genau festgelegten
sehr kleinen Luftspalt auf den Jochschenkeln 4 und 2.
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Bei aufgelegtem Jochbügel und ohne daß sich eine Prüfspule auf dem
Jochschenkel befindet, wird der vom Instrument II angezeigte Strom abgelesen bzw.
durch eine nicht dargestellte Regeleinrichtung auf einen bestimmten Sollwert eingestellt.
Nun wird der Jochbügel 6 abgenommen, die zu prüfende Spule aufgeschoben, der Jochbügel
wieder aufgesetzt und der vom Meßinstrument II angezeigte Strom abgelesen.
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Zeigt nun das Instrument II denselben Ausschlag wie vorher ohne Prüfspule,
so ist die Prüfspule frei von Kurzschlußwindungen. Ist der vom Meßinstrument angezeigte
Strom größer geworden, dann rührt dies von der Eigenkapazität der zu prüfenden Spule
her. Bei sehr großen Eigen kapazitäten der Spule wird zunächst ein geringerer Strom
abgelesen. Erreicht bei langsamem Anheben des Jochbügels der Strom wieder seinen
ursprünglichen Wert, so ist die geprüfte Spule frei von Kurzschlußwindungen. Geht
dagegen der Anschlag zurück, so liegt Kurzschluß einer oder mehrerer Windungen vor.