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Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen von
Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen während des Betriebes Die im
folgenden beschriebenen neuartigen Meßeinrichtungen dienen zur fortlaufenden Messung
der Wicklungstemperaturen von Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen
während des Betriebes. Die besondere Bedeutung der fortlaufenden Temperaturmessung
während des Betriebes und die praktische Anwendung des Erfindungsgedankens werde
zunächst für Umspanner oder Drosselspulen größerer Leistung beschrieben.
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Für die zulässige Belastung von Transformatoren ist die Kenntnis der
Wicklungstemperatur und der Temperatur des Öles entscheidend. Beim Überschreiten
bestimmter Temperaturgrenzen tritt nämlich eine schnell fortschreitende Zerstörung
der Wicklung und des Öles ein, die zum frühzeitigen Altern bzw. zur Zerstörung des
Transformators führt und kostspielige Reparaturen erforderlich macht. Die Erwärmung
des Transformators wird durch die Eisen-und Kupferverluste während des Betriebes
verursacht, wobei als eigentliche Wärmequellen das aktive Eisen (Transformatorkern
und Joche) sowie das Wicklungskupfer bzw. -aluminium anzusehen sind. Von diesen
Quellen aus strömt die Wärme über die Isolation in das Öl und wird dann entweder
über die Kesselwandung an die umgebende Luft abgegeben oder vom Öl über besondere
Kühlmittel abgeführt,
wobei die Temperatur von innen nach außen
bis zur Temperatur der umgebenden Luft bzw. des Kühlmittels fällt. Da
-das aktive Eisen erheblich höhere Temperaturen verträgt als die Wicklungsisolation
und das Öl, muß man den Temperaturen dieser Stoffe besondere Aufmerksamkeit schenken.
Die zulässigen Höchsttemperaturen sind nach den VDE-Bestimmungen bei Papierisolation
115'C, bei Baumwollisolation zoo° C und beim Öl sogar nur 9o° C. Das Öl erwärmt
sich jedoch infolge seiner großen Wärmeträgheit viel langsamer als das Wicklungsmetall;
-es wäre deshalb falsch, aus der augenblicklichen Öltemperatur einen Schluß auf
die zur gleichen Zeit bestehende Wicklungstemperatur zu ziehen, und man kommt so
zu dem Ergebnis, daß für die Beurteilung der Belastungsfähigkeit eines Transformators
vor allen Dingen die Temperatur des Wicklungsmetalls maßgebend ist. Über den gegenwärtigen
Stand der einschlägigen Meßverfahren ist folgendes zu sagen: a) Zur Bestimmung der
mittleren Wicklungstemperatur steht im Prüffeld seit langem ein Verfahren zur Verfügung,
bei dem der Widerstand der betreffenden Wicklung im kalten, d. h. im betriebslosen
Zustand, durch Spannungs- und Strommessung ermittelt wird, indem man die Wicklung
an eine passende Gleichspannung legt; der Transformator wird sodann angemessene
Zeit mit der gewünschten Leistung belastet und abgeschaltet, und unmittelbar daran
anschließend wird abermals eine Gleichstrommessung in der beschriebenen Art vorgenommen.
Die mittlere Wicklungstemperatur läßt sich dann aus der Widerstandszunahme vom kalten
zum warmen Zustand errechnen. Das beschriebene Verfahren hat den Nachteil, daß es
für den Betrieb nicht anwendbar ist, weil der Transformator für die eigentliche
Messung aus dem Betrieb genommen werden müßte.
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b) Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß ein sogenanntes thermisches
Abbild der Arbeitswicklung unterhalb des Transformatordeckels, also an einer verhältnismäßig
heißen Stelle des Transformators, eingebaut wird. Das thermische Abbild besteht
aus einer kleinen, entsprechend bemessenen Wicklung, die die gleiche thermische
Zeitkonstante wie die Arbeitswicklung hat; die Meßwicklung erwärmt sich also mit
der gleichen Geschwindigkeit wie die Arbeitswicklung. Ihre Wicklungstemperatur kann
somit in ähnlicher Weise ermittelt werden wie unter a), wobei aber während des Betriebes
gemessen werden kann. Dagegen wird, wie man sieht, ein Eingriff im Transformator
selbst gemacht. Es wird ferner nicht die mittlere Wicklungstemperatur, sondern eine
Temperatur gemessen, von der man annimmt, daß sie die höchste der Wicklung ist.
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c) Es ist auch möglich, die Temperaturen an verschiedenen ausgezeichneten
Punkten der Wicklung zu messen, z. B. an Stellen, von denen man annimmt, daß sie
verhältnismäßig hohe Temperaturen haben. Zu diesem Zweck werden Thermoelemente verwendet,
die in geeigneter Weise mit der Wicklung verbunden werden. Abgesehen davon, daß
die Thermoelemente wieder - entweder bei der Herstellung des Transformators oder
nachträglich - eingebaut werden müssen, ergeben sich hier Schwierigkeiten wegen
der Isolation der Elemente sowie wegen der isolierten Durchführung der Meßleitungen
und wegen der isolierten Aufstellung der Meßgeräte ; auch hier sind also wesentliche
Eingriffe beim Transformator notwendig.
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d) Endlich ist auch eine Meßvorrichtung bekanntgeworden, bei der die
augenblickliche Wicklungstemperatur aus der stationären Temperatur des Öles und
der Strömungsgeschwindigkeit desselben bestimmt werden kann, wobei sich die Ölströmungsgeschwindigkeit
aus - der Höhe in einem Staurohr ergibt. Die Geräte müssen am Transformator angebaut
werden.
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Alle bisher beschriebenen Meßverfahren haben den Nachteil, daß sie,
bis auf das erste, das aber während des Betriebes nicht durchgeführt werden kann,
besondere Einbauten beim Transformator notwendig machen und die Wicklungstemperatur
nicht unmittelbar, sondern nur mittelbar zu messen gestatten.
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Mit der Erfindung werden neue Wege gezeigt, durch die die Messung
der mittleren Wicklungstemperatur unmittelbar aus der Widerstandszunahme der Wicklung
bei Erwärmung, und zwar während des Betriebes, ausgeführt werden kann und wobei
als Endziel angestrebt wird, besondere Einbauten im Transformator zu vermeiden.
Die Anzeige der Temperatur folgt in diesem Falle unmittelbar den Lastschwankungen
des Transformators entsprechend der thermischen Zeitkonstanten, d. h. der thermischen
Trägheit der Wicklung, die erfahrungsgemäß wesentlich kleiner als die Zeitkonstante
des Öles ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung stützt sich auf die bekannte Tatsache,
daß sich die im Leiter einer einzelnen eisenfreien Wicklung entstehenden Stromwärmeverluste,
d. h. die Wicklungsverluste, mittels eines Leistungsmessers und eines Strommessers
ermitteln lassen, wenn man das Verhältnis der an den Klemmen der Wicklung gemessenen
Wirkleistung zum Quadrat des Stromes bildet. Außer der Eisenfreiheit ist dabei noch
vorausgesetzt, daß die Wicklung keine magnetische Kopplung mit anderen stromführenden
Wicklungen hat. Diese Voraussetzungen treffen aber für eisenhaltige Drosselspulen
von Umspannern und elektrischen Maschinen nicht zu.
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Die Erfindung besteht nun in der Erkenntnis, daß sich auch in eisenhaltigen
Spulen insbesondere von Umspannern und elektrischen Maschinen die Wicklungsverluste
genau oder mit ausreichender Näherung durch Leistungsmeßwerke ermitteln lassen,
wenn deren Stromspulen in geeigneter Weise mit den Ein-oder Ausgangsströmen der
Umspanner, Drosselspulen oder Maschinen oder mit einem aus diesen Strömen gebildeten
Summen- oder Differenzwert und wenn deren Spannungsspulen von den Ein oder Ausgangs-Spannungen
(Klemmenspannungen) der Umspanner, Drosselspulen oder Maschinen und von der E-MK
in einer auf dem Eisenkern der Umspanner, Drosselspulen oder Maschinen angebrachten
Hilfswicklung ; oder von einer aus diesen Spannungen gebildeten Differenzspannung,
nötigenfalls unter Zwischenschaltung von elektrischen Nachbildungen, gespeist werden,
und daß dieses Meßwerk als Temperaturanzeiger arbeitet, wenn es an Stelle der Meßsystemfedern
mit einem oder mehreren gegendrehenden Stromquadrat-oder
Stromproduktmeßwerken
gekuppelt ist, die mit den Ein- oder Ausgangsströmen der Umspanner, Drosselspulen
oder Maschinen oder mit aus diesen Strömen gebildeten Mittelwerten (bzw. ihnen verhältnisgleichen
Stromwerten) gespeist werden. Unter Mittelwert ist dabei ganz allgemein ein zwischen
den beiden genannten Strömen liegender Wert und nicht nur der besondere Fall des
geometrischen oder des algebraischen oder des quadratischen oder eines sonstwie
besonders definierten Mittelwertes gemeint. Insbesondere ist auch ein aus zwei Strömen
J, und 1,
und den Zahlenfaktoren ca und b gebildeter Summenwert a 11
+ b 1, als verhältnisgleich mit dem Mittelwert
anzusehen, denn für 11 = J2 wird Jm = J1, und für J1 --- J2 liegt J", stets
zwischen J1 und j2; (a = b) liefert den arithmetischen Mittelwert.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens soll zunächst für den einfachsten
Fall, nämlich für eine Eisendrosselspule (z. B. der Sternpunktdrosselspule in einem
Hochspannungsnetz), beschrieben werden, bei der also außer den Wicklungsverlusten
noch Eisenverluste auftreten, die durch die dauernden Ummagnetisierungen des Eisenkerns
im Takte der Betriebsfrequenz entstehen. Zieht man von den unmittelbar meßbaren
Gesamtverlusten die Eisenverluste ab, so erhält man die Wicklungsverluste und mit
diesen, wie bereits erwähnt, den Widerstand und schließlich aus der Widerstandszunahme
vom kalten zum warmen Zustand die Temperatur der Wicklung während des Betriebes.
Die Eisenverluste sind, wie sich aus der allgemeinen Theorie des Transformators
ergibt, verhältnisgleich dem Produkt der induzierten EMK und der Wirkkomponente
des Magnetisierungsstromes. Versieht man deshalb das aktive Eisen mit einer Hilfswicklung,
die nur wenige Windungen zu haben braucht und in der eine dem Magnetfluß proportionale
EMK induziert wird, so ist die in der Hilfswicklung hervorgerufene EMK der in der
Arbeitswicklung induzierten EMK verhältnisgleich. Man erhält somit durch Multiplikation
der Hilfs-EMK mit der Wirkkomponente des Magnetisierungsstromes eine Leistung, die
den Eisenverlusten der Drosselspule verhältnisgleich ist. Demnach besteht die praktische
Ausführung aus einem Leistungsmeßwerk, das vom Strom und der Klemmenspannung der
Drosselspule gespeist wird und das mit einem zweiten Leistungsmeßwerk mit entgegengesetztem
Drehmoment gekuppelt ist, das seinerseits von der EMK der Hilfswicklung und dem
Drosselspulenstrom, der in diesem Fall mit dem Magnetisierungsstrom identisch ist,
gespeist wird. Mit dem Ganzen ist schließlich noch ein gegendrehendes Stromquadratmeßwerk
für den Drosselspulenstrom gekuppelt.
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Die Anordnung läßt sich noch vereinfachen. Da das obengenannte erste
Leistungsmeßwerk und das zweite Leistungsmeßwerk vom gleichen Strom gespeist werden,
erhält man die Wicklungsverluste an sich schon mit einem einzigen Leistungsmeßwerk,
das mit dem Drosselspulenstrom J und der Differenz zwischen der Klemmenspannung
U und der EMK E der Hilfswicklung gespeist wird. Die im allgemeinen verschiedenen
Windungszahlen von Haupt- und Hilfsspule sind bei Bildung der Differenz mittels
Spannungsteiler oder Spannungswandler auszugleichen. Wie sich leicht nachweisen
läßt und wie aus dem Zeigerbild der Abb. z der Zeichnung ohne weiteres abgelesen
werden kann, ist nämlich die Wirkleistung eines Stromes J mit der geometrischen
Differenz (Ü-E) der Spannung U und der EMK E gleich der Differenz der Wirkleistungen
des Stromes J mit der ersten Spannung U und des gleichen Stromes
J mit der EMK E. Die Anordnung mit einem Leistungsmeßwerk ist in Abb. 2 dargestellt,
wobei der Einfachheit halber die Hilfswicklung so bemessen angenommen werden soll,
daß sie ohne Spannungsteilung mit der Klemmenspannung U verglichen werden kann.
Durch die Drosselspule D, deren Widerstand bestimmt werden soll, und die festen
Spulen F, und FII der beiden Meßwerke I und II sowie durch die bewegliche Spule
BI des Meßwerkes I fließt der Strom J. (Die Meßwerke I und II sind hier als dynamometrische
Systeme gezeichnet, wenngleich auch andere, z. B. Induktionsmeßwerke, verwendet
werden könnten, bei denen dann die Vorschaltwiderstände in den Spannungskreisen
in der Regel wegfallen würden.) In Abb. 2 besteht das bewegliche Rähmchen BI, des
Meßwerkes II aus zwei Spulenhälften, deren Windungsebenen zueinander parallel sind.
Die eine dieser Hälften liegt an der Klemmenspannung U, die andere an der obenerwähnten
Hilfswicklung mit der EMK E.
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Ebensogut könnte nur ein bewegliches Rähmchen angewendet werden, das
unmittelbar von der Differenz (ü-E) oder das sowohl von der Spannung U
als
auch von der entgegengesetzt gerichteten EMK E über getrennte Vorwiderstände gespeist
wird. Das auf das bewegliche Rähmchen BI, ausgeübte Drehmoment ist verhältnisgleich
dem Produkt (tI-E)Jcosß=vJ2. (r) Hierbei ist ß die Phasenverschiebung zwischen den
Wechselstromgrößen (v-E) und J, y ist der Wicklungswiderstand. Das auf das
bewegliche Rähmchen BI des Meßwerkes I ausgeübte Drehmoment ist andererseits verhältnisgleich
dem Stromquadrat J2.
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Die Schaltung der Anordnung ist so ausgeführt, daß die Drehmomente
der beiden Meßwerke, die im übrigen auf einer gemeinsamen Achse sitzen, entgegengesetzten
Drehsinn haben. Wenn die Beziehungen zwischen den Verdrehungswinkeln der Rähmchen
und den auf sie ausgeübten Drehmomenten entsprechenden Verlauf haben, kommt bei
Gleichheit der Drehmomente, also für jede Größe des Widerstandes bzw. der Temperatur,
eine ganz bestimmte stabile Lage des Meßwerkes zustande. Dies trifft zu, wenn z.
B. das erste Drehmoment mit steigendem Drehwinkel abnimmt, während das zweite zunimmt.
Das Meßwerk hat also die Eigenschaft eines Verhältnismeßwerkes, das das Verhältnis
anzeigt, wobei die rückführende Kraft nicht durch
Torsionsfedern
erzeugt wird. Das Gerät hat in seiner Wirkungsweise Ähnlichkeit- mit dem bekannten
Kreuzspulmeßgerät mit dem Unterschied, daß beim Kreuzspulmeßgerät nicht ein Leistungsmesser
und ein Stromquadratmeßwerk, sondern zwei Strommeßwerke mit entgegengesetztem Drehsinn
miteinander gekuppelt sind, da mit dem Kreuzspulmeßgerät das Verhältnis zweier Ströme
gemessen wird. Wie beim Kreuzspulmeßgerät kann die gewünschte Abhängigkeit des Drehmomentes
der einzelnen Meßwerke vom Ausschlag z. B. durch veränderlichen Luftspalt erzeugt
werden. Im übrigen ist die in Abb. 2 beispielsweise gezeichnete unterschiedliche
Winkellage der beweglichen Spulen nicht kennzeichnend für den Verhältniszeiger,
denn auch im Kreuzspulmeßgerät ist sie nur eine Folge der besonderen Art des Zusammenbaues
der beiden Stromzeiger.
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Bezüglich der Anordnung der Hilfswicklung auf dem Eisenkern besteht
bei der Erdungsdrosselspule ziemliche Freiheit. Sie kann so durchgebildet werden,
daß sie vom Streufluß der Hauptwicklung nicht durchsetzt wird; doch ist dies nicht
notwendig, da eine vomStreufluß in der Hilfswicklung induzierte EMK vektoriell auf
dem Strom der Hauptwicklung senkrecht steht und daher keine Wirkleistung mit ihm
bildet. Wenn der Streufluß nicht umfaßt wird, ist (ü - E) der Spannungsabfall des
Drosselspulenstromes in der Streureaktanz und im Wirkwiderstand der Spule.
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Beim Umspanner erhält man die Gesamtverluste, wenn man die Differenz
der primären und sekundären Leistung bestimmt. Die Eisenverluste entsprechen hier
dem Produkt aus der in der Hilfswicklung induzierten EMK und der Wirkkomponente
des Magnetisierungsstromes, der den gemeinsamen Fluß hervorruft. Dieser ist proportional
der geometrischen Differenz des primären und sekundären Stromes. Die Hilfsspule
muß in diesem Fall so auf dem Kern angebracht sein, daß sie nur den gemeinsamen
Fluß, nicht aber auch die Streuflüsse umschlingt.
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Die zugehörige Schaltung zeigt Abb. 3. Von den wattmetrischen Meßwerken
ist j e eines für die primäre und die sekundäre Leistung (I) und (II) und eines
für die Eisenverluste (III) bestimmt. Die drei Meßwerke müssen so geschaltet bzw.
mechanisch so miteinander gekuppelt sein, da.ß die Differenz aus der primären Leistung
und der Summe von sekundärer Leistung und den Eisenverlusten die Wicklungsverluste
ergibt. Mit den drei wattmetrischen Systemen ist schließlich noch das Stromquadratsystem
IV gekuppelt, das dem Drehmoment der drei vorgenannten Meßwerke das Gleichgewicht
hält. Wenn nur die Temperatur des belasteten Umspanners festgestellt werden soll
und keine große Genauigkeit verlangt wird, genügt es, das Stromquadratmeßwerk nur
mit dem primären (oder sekundären) Strom zu beschicken, weil sich bei starker Belastung
das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundärstrom nur geringfügig ändert, so daß
ein Strom den anderen vertreten kann. Wenn jedoch die Temperatur auch bei schwacher
Belastung zu messen ist, muß das Stromquadratmeßwerk mit einem Mittelwert aus Primär-
(1l) und Sekundärstrom (J2), z. B. dem arithmetischen Mittelwert 1/2 . (J1 -}- J2),
gespeist werden.
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Der Instrumentenausschlag zeigt dann das Verhältnis
an. In Gleichung (3) und in allen folgenden sind wegen der einfacheren Schreibweise
alle sekundären Größen auf das Übersetzungsverhältnis z : z umgerechnet zu denken.
Da bei starker Belastung 1l,-. J2 ist, ergibt sich für diesen Fall aus Gleichung
(3) v =,r, + y2, d. h., das Gerät zeigt dann die Summe von Primär- und Sekundärwiderstand
oder, was gleichbedeutend ist, den arithmetischen Mittelwert
an, der sich von der Summe nur durch den in die Gleichung eingehenden konstanten
Faktor 1/2 unterscheidet. Wenn bei abnehmender Belastung sich die Ungleichheit zwischen
1, und 1, bemerkbar macht, ergibt sich für v ein Mittelwert, in dem r1 und
v2 von verschieden großem hinfluß sind. Für 12 = 2/s J1 erhält man z. B. v =
36/26 ' 71 + 16/2s @ 71 = 52/25 " y1 für yl = y2. Dieser Wert ist
etwas zu groß, wenn das Gerät für J2 = J1 geeicht ist, denn für J2 = 11 und
71 = y2 ist v = 2 y1. Bei sehr schwacher Belastung und bei Leerlauf (J2
= 0; v = q. y.) zeigt dieses Gerät somit auch dann zu ungenau an, wenn keine
großen Anforderungen -an seine Meßgenauigkeit -gestellt werden.
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Genauere- Werte ergeben sich bei Anwendung von zwei miteinander gekuppelten,
aber im übrigen getrennten Stromquadratmeßwerken für den Primar-und den Sekundärstrom
mit unter Umständen verschiedenen Einflußfaktoren e1 und e2, die sich zueinander
wie die Wicklungswiderstände y, und y2 verhalten sollen. In Abb.3 ist angenommen,
daß zu diesem Zweck zwei Weicheisenmeßwerke benutzt werden.
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Das Gesamtgerät mißt .dann den Ausdruck
d. h., es mißt unter der Annahme, daß. das Verhältnis von Primär- zu Sekundärwicklungswiderstand
praktisch unverändert bleibt, den arithmetischen Mittelwert aus den Wicklungswiderständen
y, und y2, unabhängig
von der augenblicklichen Belastung, denn
der rechts stehende Bruch ist bei jedem beliebigen Wert von J1 und J2 gleich i.
Da die Bedingung
konstant unter Umständen nicht bei allen Belastungsverhältnissen genau erfüllt ist,
wird man
für den vollbelasteten Umspanner wählen, während für kleine Belastungen geringe
Fehler in Kauf genommen werden. Im Leerlauf (J2 = 0 bzw. J1 = 0) zeigt das Gerät
die Werte
bzw.
d. h. die Temperatur der Primär- bzw. der Sekundärwicklung, an. Mit zunehmender
Belastung ist dann der Ausschlag ein Maß für den Temperaturmittelwert beider Wicklungen.
Alle Meßwerke in Abb. 3 können z. B. auf einer gemeinsamen Achse sitzen, sie können
aber auch in einer anderen geeigneten Weise miteinander mechanisch gekuppelt sein.
Die mit der Hilfswicklung gewonnene EMK wird der beweglichen Spule des Meßwerkes
III zugeführt, während man die feste Spule dieses Systems mit der geometrischen
Differenz des primären und des sekundären Stromes speist, die durch Gegeneinanderschaltung
der Stromwandler für die Ströme J, und j2 oder durch zwei gegeneinandergeschaltete
Stromwicklungen hergestellt werden kann.
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Ein Teilmeßwerk kann eingespart werden, wenn man nur die Temperatur
der primären (bzw. sekundären) Wicklung zu messen wünscht. Der Primär-(bzw. Sekundär-)
Strom bildet nämlich mit der inneren EMK E die Durchgangsleistung des Umspanners,
zuzüglich der Eisenverluste und der sekundären (bzw. primären) Wicklungsverluste,
wie man auch aus dem Ersatzschaltbild des Umspanners in Abb. q. ablesen kann, in
dem die Eisenverluste als in dem parallel zum Eisenkern gezeichneten, nicht näher
bezeichneten Widerstand auftretend zu denken sind. Man mißt deshalb die primären
(sekundären) Wicklungsverluste als Differenz der primären (sekundären) Wirkleistung
und der Leistung aus dem Primär-(Sekundär-) Strom und der EMK einer Hilfswicklung,
die den sekundären (primären) Streufluß nicht umschließt. Auf diese Weise erhält
man zwei miteinander gekuppelte Leistungsmeßwerke, die ihrerseits mit einem Stromquadratsystem
für den primären (sekundären) Strom gekuppelt sind.
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Da beide Leistungsmeßwerke vom gleichen Strom gespeist werden, besteht
aus dem bereits bei der Meßeinrichtung für die Drosselspule (Abb. a) besprochenen
Grunde die Möglichkeit, die beiden Leistungsmeßwerke durch ein einziges zu ersetzen.
Dieses Leistungsmeßwerk bestimmt die primären (sekundären) Wicklungsverluste aus
der Leistung des primären (sekundären) Stromes mit dem Spannungsunterschied zwischen
der primären (sekundären) Klemmenspannung und der entsprechend übersetzten EMK einer
Hilfswicklung. Aus dem Ersatzschaltbild des Umspanners (Abb. q.) kann das gleiche
Ergebnis unmittelbar entnommen werden. Abb. 5 zeigt eine derartige Anordnung für
die Bestimmung der primären Wicklungstemperatur.
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Es ist wünschenswert, das Meßverfahren so abzuändern, daß die Hilfswicklung
entbehrt werden kann, daß also mit anderen Worten keine Einbauten notwendig sind.
Zu diesem Zweck kann man die obenerwähnte Hilfs-EMK auch auf elektrischem Wege herstellen;
die EMK des gemeinsamen Feldes ist nämlich gleich der geometrischen Differenz aus
der primären Klemmenspannung und dem inneren Spannungsabfall der primären Seite
bzw. gleich der geometrischen Summe aus der sekundären Spannung und dem inneren
Spannungsabfall der sekundären Seite. Da man ohne Hilfswicklung die inneren Spannungsabfälle
selbst nicht erfassen kann, so muß man außenliegende Nachbildungen der inneren Widerstände
des Transformators (ohmsche Widerstände und Streureaktanzen) herstellen, an denen
man die erwähnten inneren Spannungsabfälle mittels des primären und sekundären Stromes
erzeugt. Die Bildung der EMK aus der primären bzw. sekundären Klemmenspannung ergibt
sich aus dem Ersatzschaltbild des Transformators gemäß Abb. q., die zugehörige Schaltung
für den Fall, daß, wie in der Meßschaltung gemäß Abb. 5, die primäre Wicklungstemperatur
bestimmt werden soll, aus Abb. 6. Der sekundäre Strom 1, fließt hier über
die Nachbildung yz + f kßa der sekundären Streuimpedanz. Der an ihr erzeugte Spannungsabfall
gibt zusammen mit der Sekundärspannung U2 die innere EMK E = Zl2 -f- (yä
-f- 3 k, ,
#2) L- (5)
Die Nachbildung des inneren Widerstandes
kann nur bei einer ganz bestimmten Betriebstemperatur der Umspannerwicklung dem
tatsächlichen Wicklungswiderstand entsprechen. Der Nachbildungswiderstand wird deshalb
zweckmäßigerweise so bemessen; daß er dem höchstzulässigen Wicklungswiderstand entspricht.
Das Meßgerät zeigt dann richtig bei erwärmtem Umspanner, während sich bei kühleren
Wicklungen gewisse Meßfehler ergeben, die häufig in Kauf genommen werden können.
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Genauere Werte der inneren EMK erhält man, wenn man sie durch Nachbildung
der primären und der sekundären inneren Widerstände von der primären und der sekundären
Seite aus herstellt und das Meßwerk mit dem Mittelwert aus den beiden Werten speist
bzw. seine Spannungsspule zur getrennten Speisung durch beide Werte doppelt ausführt.
Wie man nämlich aus dem Zeigerbild des Umspanners leicht entnehmen kann, liegen
die Fehler der beiden nachgebildeten EMK infolge von Widerstandsfehlern einander
entgegengesetzt und heben sich im Mittel ziemlich genau auf, wenn die beiden Nachbildungswiderstände
sich zueinander verhalten wie die Wicklungswiderstände y1 und y2 und wenn auch die
Mittelwertbildung vektoriell im gleichen Verhältnis erfolgt. Beispielsweise ergibt
sich eine derartige Ausführung für die Messung der primären Wicklungstemperatur
unter Benutzung von Nachbildungswiderständen y' + j k j, und yz -f- 9 k'?
für die Streuimpedanzen und mit den Anteilfaktoren
für die Bildung des Mittelwertes der EMK dadurch, daß die Spannungsspule des Leistungsmeßwerkes
mit der Spannung \Ul - Ua) Q2 + (yi + kfr,) h @1 - (YZ -f- ka2)
I2 2 2
(6)
die Stromspule und das Siromquadratmeßwerk
mit dem Strom J, gespeist werden. Obiger Spannungsausdruck (6) ist bereits aus der
Differenz zwischen der Spannung Ui und dem 1Vlittelwert der EMK gebildet.
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Da sich im genannten Spannungsausdruck (6) zeigt, daß die an den primären
und sekundären Nachbildungen entstehenden Spannungen sich entgegenwirken, liegt
es nahe, zu untersuchen, ob zur Speisung der Spannungsspule der Spannungsabfall
des Umspanners U1 - U2 = (y1 'i- 7 koi) T1 + (Y2 -`'" kcal
J2 (%)
näherungsweise genügt. Ein Leistungsmeßwerk, das mit der Spannung (ü1
- z,) und einem Strommittelwert a, j, +. 62 ja, wobei a1 und a2 Anteilfaktoren
mit der zusätzlichen Bedingungsgleichung a, -E- o, = I sind, gespeist wird, mißt
den. durch Rechnung ableitbaren Ausdruck N = y1 a1 Ji -I- y2 a2 I2 -h (y2
al -I- y,. a2) J, J2 cos 8 -f - (k" Q1 - k., d2) J, J2 sin
ö (8) Darin ist 8 der Phasenwinkel zwischen Primärstrom J, und Sekundärstrom J2.
In diesem Ausdruck stört vor allem das Sinusglied, weil es vom Wicklungswiderstand
unabhängig ist. Dieses Glied verschwindet, wenn
gemacht wird, und es bleibt als Leistungswert N = y1 a, J1 +. y2 a"
A + (y2 a, + y, a,) J, Ja cos . (I0) Bei hoher Belastung J1
r--- j2, cos ö I geht dieser Ausdruck in N = y, Ji + ys jä (II) über, gibt
also unter der genannten Voraussetzung die gesamten Wicklungsverluste wieder, so
daß wie bei der Meßschaltung nach Abb.3 im Zusammenhang mit einem Stromquadratmeßwerk
für Ji, J 2 oder besser für e1 Ji -I- ea p die Wicklungstemperatur meßbar ist. Soll
mit dem gleichen, das Sinusglied nicht erfassenden Leistungsmeßwerk die Wicklungstemperatur
auch bei kleinen Belastungen gemessen werden, so muß die Abweichung des Leistungswertes
von den wirklichen Wicklungsverlusten durch entsprechende Ausbildung des gegenwirkenden
Strommeßwerkes ausgeglichen werden. Dies gelingt durch Verwendung eines wattmetrischen
Stromproduktenmeßwerkes, in dessen einer Spule derselbe Strom cl j1 -h aa ja wie
im Leistungsmeßwerk und in dessen anderer Wicklung der Strome, j, + 2a ja fließt,
wobei die Anteilfaktoren e1 und @2 so zu wählen sind, daß a, + e2 = I und
ist. Das Gesamtmeßwerk zeigt dann, wie sich aus der Rechnung ergibt, das Verhältnis
an. Unter der Voraussetzung, daß
konstant bleibt, ist der rechts stehende Bruch bei jedem Wert der Ströme J1 und
J2 gleich i, d. h., das Gerät zeigt den arithmetischen Mittelwert von y1 und y2
an. Bei Leerlauf (1l = 0 bzw. J2 = 0) gilt das gleiche wie das zu Gleichung (q:)
Gesagte. Die Stromsummenbildung im Stromproduktmeßwerk ist vermeidbar, wenn die
eine Spule beispielsweise mit dem Strom (O2 a, +2, a2) j, und die andere mit dem
Strom J2 beschickt und zwei zusätzliche Stromquadratmeßwerke für die Ausdrücke @,
a, Ji und 22 a2 Jz angekuppelt werden.
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Die dem Leistungssystem zuzuführende Differenzspannung Ü,-Üz kann
auf elektrischem Wege durch Gegeneinanderschaltung von Spannungswandlern hergestellt
werden, wobei zu bemerken ist, daß die Genauigkeit der heutigen Wandler auf jeden
Fall ausreicht, um eine hinreichend richtige Anzeige dieser Differenz zu gewährleisten.
Die Stromsummen j, a., -i- ja a. bz'. j, e1 -I- ja 2a können durch geeignete
Zwischenwandler mit den gegenseitigen Übersetzungsverhältnissen
bzw. hergestellt werden. Sie
werden zweckmäßigerweise mit Anzapfungen zur Justierung eingerichtet.
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In Abb. 7 ist eine derartige Schaltung dargestellt. Die durch die
Spannungswandler hergestellte Differenzspannung ITl-ü, wird hier der beweglichen
Spule des Meßwerkes I zugeführt, die feste Spule des Meßwerkes 1 erhält dagegen
die Stromsumme a., j, -i- Q, j2 von der Wicklung w", eines Zwischenwandlers. Die
anderen beiden Wicklungen w6, und wa dieses Zwischenwandlers haben das gegenseitige
Übersetzungsverhältnis
Sie liegen ihrerseits an den Stromwandlern des primären und sekundären Stromkreises
des
Transformators. Die feste Spule vom Meßwerk II liegt mit der festen Spule des Meßwerkes
I in Reihe an der Wicklung w"3 und erhält demnach ebenfalls die Stromsumme a1 j1
+ 12 J, Die bewegliche Spule des Meßwerkes II wird andererseits von der Wicklung
w"3 eines weiteren Zwischenwandlers gespeist. Die beiden anderen Wicklungen w.",
und w" dieses Zwischenwandlers liegen ihrerseits wieder an den Stromwandlern des
primären und sekundären Stromkreises des Transformators und in Reihe mit den Wicklungen
w"; bzw. w"2. An Stelle von Zwischenwandlern können getrennte Wicklungen auf den
wattmetrischen Meßwerken für die Ströme l1 und 1, zur Stromsummenbildung
verwendet werden.
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Wenn man die Stromspule des Leistungsmeßwerkes und das Stromproduktmeßwerk
mit derselben Stromsumme e1 j1 + 2, J, wobei Q1 + Q2 = z ist, speist,
ergibt die Rechnung nach Weglassung des Sinusgliedes im Zähler folgenden Ausdruck
für die Anzeige des gesamten Meßwerkes:
Auch in diesem Falle ist mit der Bemessung
der rechts stehende Bruch bei jeder Belastung gleich z, d. h., das Gerät zeigt den
Temperaturmittelwert. Der Vorteil dieser Ausführung liegt darin, daß man einmal
nur einen Zwischenwandler mit dem Übersetzungsverhältnis
und andererseits an Stelle des zweiten wattmetrischen Meßwerkes nur ein Stromquadratmeßwerk
für das Stromsummenquadrat (e@ A -f- 22 j2)2 notwendig hat. Das Anzeigegerät könnte
also z. B. aus einem dynamometrischen Meßwerk mit einer festen Stromspule und einer
beweglichen Spannungsspule und einem damit gekuppelten Weicheisenmeßwerk aufgebaut
werden, was eine besonders einfache Bauart ergibt. An Stelle des Weicheisenmeßwerkes
kann aber ebensogut auch ein dynamometrisches oder ein Induktionsmeßwerk verwendet
werden.
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Für die Gültigkeit der Gleichung (=4) ist es notwendig, das Sinusglied
im Zähler, das in Gleichung (z4) im voraus weggelassen wurde und das im Bau dem
Sinusglied der Gleichung (8) entspricht, zu Null zu machen, d. h., es muß sein (k"a
01- köl A J1 .%2 sin S = 0 . (=5) Da die Wahl von ei und e2
nicht mehr frei ist, bleibt nur noch die Möglichkeit, die Speisespannung des Leistungsmeßwerkes
so zu ändern, daß das Sinusglied verschwindet. Zieht man z. B. vom Spannungsabfall
ül-ü, die in ihm enthaltenen Spannungsabfälle an den Streureaktanzen k", und k".
durch äußere Nachbildungen k', und k'2, über die die Ströme J1 und J2 fließen, wieder
ab, so bleibt die Speisespannung U1 - U2 - kau J1 - koa
f2= (yl + k@) J@ + (Y,+ % k"2) J2 - 9
k@ Jl - 9 kaa J2 = y1.%1 + y2 J" die nur noch die ohmschen Spannungsabfälle
enthält. In diesem Falle fehlt das Sinusglied von vornherein, weil die Streureaktanzen
in der Speisespannung überhaupt nicht erscheinen.
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Bei dieser Gelegenheit sei bemerkt, daß es keine Schwierigkeiten macht,
einen Spannungsabfall des Hauptstromkreises im Meßkreis durch einen entgegengesetzten
auszugleichen, weil die Stromrichtung im Meßkreis durch Umklemmen der Meßwandler
wählbar ist.
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Es ist nicht nötig, Reaktanznachbildungen für die Primär- und Sekundärseite
zugleich zu verwenden. Es genügt vielmehr eine einzige Reaktanz in einem der Kreise,
die dann allerdings nur eine teilweise Kompensation bewirken kann. Wird beispielsweise
nur im primären Meßkreis eine zusätzliche Reaktanz ki eingeführt, die der Reaktanz
k", entgegenwirkt, so erhält das im Zähler von Gleichung (r4) nicht angeschriebene
Sinusglied die Form: [k"2 Cl - (k"1- k') e21 JI J2 sin 8 . (I7) Damit es
zu Null wird, muß sein
Eine Reaktanz k2 nur im Sekundärkreis müßte der entsprechenden Bedingung
genügen. Durch die Reaktanz ki bzw. k2 wird der Umspanner künstlich symmetriert,
denn bei einem von
Natur aus symmetrischen Umspanner, für welchen
die Bedingungsgleichung
gilt, fällt das Sinusglied gemäß Gleichung (z5) von selbst weg.
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In Abb. 8 ist eine Schaltung dargestellt, die. eine Kompensationsreaktanz
ki im Primärstromkreis enthält. Der Spannungsspule des Leistungsmeßwerkes V wird
somit die Speisespannung
zugeführt. Die Kompensationsreaktänz k' ist mit einer zweiten Wicklung versehen,
um die Spannungs- und Strommeßkreise galvanisch trennen zu können. Sie wirkt also
als Strom-Spannungs-Wandler. Zweckmäßigerweise wird sie mit Luftspalt ausgeführt,
um Proportionalität des Spannungsabfalles mit dem Strom TI zu wahren.
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An Stelle des gezeichneten Gesamtmeßwerkes können aber auch andere
Quotientenmeßwerke verwendet werden, wobei man sich von dem Gedanken leiten lassen
wird, das Anzeigegerät möglichst einfach und billig zu machen. So besteht z. B.
auch hier die Möglichkeit, an Stelle der oben beschriebenen wattmetrischen Meßwerke
solche von Induktionszählern für Wechselströme mit exzentrisch gelagerter Wirbelstromscheibe
zu verwenden, da durch diese Maßnahme bekanntlich ein mit dem Drehwinkel der Wirbelstromscheibe
zunehmendes oder abnehmendes Drehmoment erzeugt werden kann. Durch geeignete Maßnahmen
ist dafür zu sorgen, daß bei Frequenzänderungen keine Fälschung der Temperaturanzeige
eintritt.
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Für Asynchronmaschinen sind alle oben beschriebenen Meßeinrichtungen
wie beim Umspanner brauchbar, die mit einer Hilfswicklung arbeiten. Wenn die Maschine
z. B. von der Ständerseite her betrachtet wird, verhält sie sich genau so wie ein
Umspanner, gleichgültig, ob die aufgenommene Leistung vom Läufer mechanisch oder
elektrisch (über Schleifringe) weitergegeben wird, und gleichgültig, wie groß der
Schlupf der Maschine ist. Die Hilfswicklung soll vom sekundären Streufluß nicht
durchsetzt werden. Sie wird deshalb auf dem Ständer untergebracht. Sie kann in Nuten
liegen wie die Hauptwicklung; es genügt aber auch, wenn sie das Eisenjoch ringförmig
an einer Stelle umschlingt, die mindestens vom gemeinsamen Fluß oder einem ihm proportionalen
Anteil durchsetzt ist. Während beim Umspanner die Leistung der EMK in der Hilfswicklung
mit dem Eingangsstrom sich aus den Eisenverlusten, den Kupferverlusten des Ausgangsstromes
und der an der Ausgangsseite abgegebenen oder aufgenommenen elektrischen Leistung
zusammensetzt, kommt bei der Asynchronmaschine die mechanisch abgegebene oder aufgenommene
Leistung hinzu, was aber für die Ausbildung des Meßwerkes gleichgültig ist.
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Bei Asynchronmaschinen mit Schleifringläufern, an deren Schleifringen
elektrische Leistung abgegeben oder aufgenommen wird, kann die Wicklungstemperatur
der Läuferwicklung in gleicher Weise gemessen werden, wobei das Meßgerät, das in
diesem Falle ein möglichst großes Trägheitsmoment besitzen muß, mit Schlupffrequenz
gespeist wird. Wenn betriebsmäßig starke Schwankungen des Schlupfes vorkommen, werden
zweckmäßigerweise frequenzunäbhängige dynamometrische Leistungsmeßwerke verwendet.
Die Hilfswicklung sitzt natürlich auf dem Läufer; ihre EMK wird an Schleifringen
abgenommen.
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Grundsätzlich können auch alle anderen für Umspanner beschriebenen
Meßverfahren ohne Hilfswicklung benutzt werden, wenn alle zur Speisung des Meßgerätes
benutzten elektrischen Größen phasenrichtig auf die gleiche Frequenz, z. B. auf
Netzfrequenz oder auf Schlupffrequenz, gebracht werden, was durch kleine, mit der
Maschinenwelle gekuppelte Frequenzwandler an sich bekannter Bauart geschehen kann.
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Die Hilfswicklung führt auch bei allen anderen Bauarten elektrischer
Maschinen, Synchronmaschinen, Wechsel- und Gleichstromkommutatormaschinen zum Ziel.
Bei Synchronmaschinen darf die Hilfswicklung vom Läuferstreufluß nicht durchsetzt
werden, muß aber mindestens den vom Hauptfeld und vom Querfeld erzeugten Fluß umfassen,
der dem gemeinsamen Fluß der Asynchronmaschine und des Umspanners entspricht. Die
Hilfswicklung kann wie bei einer Asynchronmaschine untergebracht werden, um dieser
Bedingung zu genügen. Vom Ständer her betrachtet besteht für die Meßeinrichtung
zur Feststellung der Temperatur der Ständerwicklung kein Unterschied, ob es sich
um Asynchron-, Synchron- oder schließlich auch Wechsel- (bzw. - Drehstrom-) Kommutatormaschinen
handelt, deren Ständer ja alle von grundsätzlich gleicher Bauart sind. Die Wicklung
kann beispielsweise das Joch in den Pollücken als Ringwicklung umschlingen oder
wie die Hauptwicklung beiderseits der Polmitten in Nuten liegen. In beiden Fällen
wird ein mehr oder minder großer Teil des Ständerstreuflusses mit umfaßt, was ohne
Nachteil ist, weil die vom Streufuß induzierte EMK nichts zur Leistungsbildung beiträgt.
Besonders, wenn das Leistungsmeßwerk mit der Differenz der Klemmenspannung und der
EMK der Hilfswicklung gespeist wird, kann weitgehendes Miterfassen der Streuspannung
von Vorteil sein; denn um so kleiner ist dann die Blindkomponente in der Speisespannung
des Meßwerkes, die nur Ballast darstellt.
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Wenn die Hilfswicklung in den Nuten und längs der Wickelköpfe so geführt
wird wie die Hauptwicklung oder wenn sie in sie eingebettet ist, werden in beiden
Wicklungen von allen vorkommenden magnetischen Flüssen nach Übersetzung auf gleiche
Windungszahlen die gleichen EMKK induziert, so daß in der Differenzspannung nur
der innere Spannungsabfall der Hauptwicklung übrigbleibt, der praktisch durch den
Wirkwiderstand der Wicklung gegeben ist, wenn der innere induktive Widerstand vernachlässigt
ist. Mit dieser Art der Hilfswicklung sind deshalb die genauesten Ergebnisse zu
erwarten, besonders, wenn die Feldverteilung durch Wendepolwicklungen und ähnliches
verwickelt wird.
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In gleicher Weise dienen Hilfswicklungen in den Läufern von Wechselstrom-
oder Gleichstromkommutatormaschinen zur Messung der Wicklungstemperatur der Läufer.
Die Hilfswicklunz erhält einen Kornmutator
zur Abnahme der induzierten
Spannung, um Frequenzgleichheit von Läuferspannung und Hilfswicklungs-EMK zu erreichen.
Oder man nimmt die HiliS-EMK über Schleifringe ab und formt erst nachträglich phasenrichtig
auf die Frequenz des Klemmer_-stromes um, bei Wechselstrommaschinen über Frequenzwandler,
bei Gleichstrommaschinen über Gleichrichter. Um den hauptsächlich bei Maschinen
mit kleiner Läuferspannung störenden Einfluß des Spannungsabfalles an den Bürsten
und am Übergangswiderstand zum Kollektor der Hauptwicklung auszuschalten, wird die
Meßspannung über besondere, vom Läuferstrom nicht belastete Bürsten entnommen. Es
kann aber auch die Spannung der Hauptwicklung von zweien ihrer Punkte als Wechselspannung
an Schleifringe geführt und dort abgenommen werden. Nach Differenzbildung mit der
Hilfswicklungs-EMK wird die- Differenz auf Gleichstrom bzw. auf die Frequenz des
Klemmenstromes oder es wird umgekehrt der Klemmenstrom auf die Frequenz an den Schleifringen
phasenrichtig umgeformt, um die Strom-und die Spannungsspule des Leistungsmeßwerkes
mit Gleichstrom bzw. mit gleicher Frequenz speisen zu können. Gewöhnlich kann darauf
verzichtet werden, die Hilfswicklung ebenso weitgehend auf dem Läufer zu verteilen
wie die Hauptwicklung, da der Läufer in der Regel symmetrisch gebaut ist. Es genügt
daher, die Hilfswicklung in wenigen Nuten unterzubringen oder, wenn das Anzeigegerät
genügend träge ist, nur eine Schleife zu verwenden, da diese während einer Umdrehung
alle Zonen des magnetischen Flusses durchläuft und so einen Mittelwert bildet, der
nach entsprechender Spannungsübersetzung für die Messung benutzt werden kann.
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Ein Beispiel für die Messung an dem Ständer einer Drehstrommaschine
zeigt Abb. g. Eine besondere Beschreibung erübrigt sich, weil, wie schon gesagt,
die Meßeinrichtung und ihre Schaltung mit der Einrichtung für Umspanner mit Hilfswicklung
(Abb. 5). gleichartig ist. Die Meßeinrichtung ist nur in einer Phase angebracht.
Kommen stark unsymmetrische Belastungen der Maschine in Betracht, so ist in allen
Phasen je eine Meßeinrichtung zu verwenden.
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An Hand der Abb. io soll ein Beispiel für die Temperaturmessung des
Ankers einer Gleichstromkommutatormaschine näher erläutert werden. Die Hauptwicklung
i des Ankers ist an einem Punkt mit dem Anfang der Hilfswicklung 2 verbunden und
an einen Schleifring 3 geführt. Der gegenüberliegende Punkt der Hauptwicklung i
ist mit dem Schleifring q. und das Ende der Hilfswicklung mit dem Schleifring 5
verbunden. Am Spannungsteiler (oder Spannungswandler) 6 wird eine zweckmäßig bemessene
Teilspannung der Hauptwicklung abgenommen. Diese Teilspannung und die Spannung der
Hilfswicklung haben Bürsten 3 als gemeinsamen Punkt; ihre Differenz liegt zwischen
Bürste 5 und dem Abgriffpunkt am Spannungsteiler. Die Differenzspannung speist über
die Gleichrichteranordnung 7 die nicht näher bezeichnete Spannungsspule des Leistungsmeßwerkes
I. Die Stromspule desselben und das Stromquadratmeßwerk II liegen im Nebenschluß
zu dem Hauptstromwiderstand B. Ein Schleifring kann eingespart werden, wenn die
Hilfswicklung durch Wahl ihrer Windungszahl so bemessen wird, daß sie dieselbe EMK
wie die unbelastete Hauptwicklung liefert. Die Spannungsdifferenz kann dann schon
im Läufer gebildet und über zwei Schleifringe abgeführt werden.
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Die Schaltung nach Abb. 9 gilt auch für Wechselstromkommutatormaschinen,
wenn die der Gleichrichteranordnung 7 durch einen kleinen Frequenzwandler ersetzt
wird, der mit der Hauptmaschine starr gekuppelt ist, dessen Schleifringe mit der
Differenzspannung gespeist werden und dessen Kollektor mit der Spannungsspule des
Leistungsmeßwerkes verbunden wird. Die Phasenjustierung geschieht durch Bürstenverschiebung
am Frequenzwandler. An die Stelle des Widerstandes 8 kann ein Stromwandler treten.