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Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen von
Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen mit Gleichstrommeßwerken während
des Betriebes Zusatz zum Pabe@nt 933 35'0 Gegenstand des Patentes
933 350 ist eine Einrichtung zur fortlaufenden Messung der Wicklungstemperaturen
von Umspannern, Drosselspulen und elektrischen Maschinen mit Leistungsmeßwerken,
deren Stromspulen mit den Ein- oder Ausgangsströmen der Umspanner, Drosselspulen
oder elektrischen Maschinen, deren Spannungsspulen mit den Ein- oder Ausgangsspannungen
(Klemmenspannungen) der Umspanner, Drosselspulen oder Maschinen und von der EMK
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 die an Stelle der Meßsystemfedern mit gegendrehenden Stromquadrat- oder Stromproduktmeßwerken
gekuppelt sind, die mit den Ein- oder Ausgangsströmen der Umspanner, Drosselspulen
oder Maschinen oder mit aus diesen Strömen gebildeten Mittelwerten (bzw. ihren verhältnisgleichen
Stromwerten) gespeist werden. Für die praktische Ausführung werden in dem genannten
Patent zweckmäßig geschaltete Wechselstrommeßwerke beschrieben. Gegenstand vorliegender
Erfindung ist der Ersatz
der Wechselstrommeßwerke durch Gleichstrommeßwerke,
die den Vorteil geringeren Leistungsverbrauches haben.
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Die Gleichstrommeßwerke werden über Gleichrichter gespeist. Erste
Voraussetzung hierfür ist, daß die Phasenverschiebung der Ströme in den beiden Spulen
des Leistungsmeßwerkes vor den Gleichrichtern konstant bleibt. Kleine Phasenverschiebungen
können dabei zugelassen werden, wenn die Winkelabweichungen so unbeträchtlich sind,
daß der Kosinus des Phasenverschiebungswinkels praktisch gleich z gesetzt werden
darf. Zweitens muß vorausgesetzt werden, daß eine Änderung desjenigen Anteiles der
Speisespannung der Spannungsspule, der mit dem Strom in der Stromspule phasengleich
ist, sich im Betrag der Speisespannung stark ausprägt.
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Die genannten Bedingungen werden für den Umspanner erfüllt, wenn die
Spannungsspule beispielsweise aus der Differenz zwischen Primär- und Sekundärspannung
unter Abzug des Spannungsabfalles des Primär- und Sekundärstromes an äußeren Nachbildungen
der Primär- und Sekundärstreureaktanzen und die Stromspule aus einem Mittelwert
aus Primar-und Sekundärstrom gespeist werden. Aus dieser Anordnung folgt mit den
bekannten Transformatorgleichungen, daß die auf diese Weise erzeugte Spannung
Ur bei zweckmäßiger Bemessung der Wandlerübersetzungen nur noch den Spannungsabfall.
des Primärstromes J1 am Wirkwiderstand y1 der Primärwicklung und den Spannungsabfall
des Sekundärstromes J2 am Wirkwiderstand y2 der Sekundärwicklung enthält, daß also
die Spannungsspule (in der Regel über einen Vorwiderstand) mit dem auf das Übersetzungsverhältnis
r bezogenen Spannungsabfall Ur = y1 J1 + y2 J2 (
gespeist wird,
während in der Stromspule der Strom J, = QJl + e, i, ( fließt. Wenn dabei
die Faktoren e1 und O2 so bemessen sind, daß
ist, so kann geschrieben werden
Die Gleichungen (z) und (q.) zeigen, daß Spannungs-und Stromspule von stets phasengleichen
Strömen durchflossen werden, auch wenn ,j1 und ,T2 bei kleinen Belastungen infolge
des Magnetisierungsstromes ja = T, - T2 stark voneinander verschieden
sind und um einen großen Winkel ö voneinander abweichen. Das Gleichstrommeßwerk
im Zusammenwirken mit dem Stromquadratmeßwerk ergibt dann den Ausschlag
Das ist der gleiche Wert, der aus den Gleichungen (1q. bis (i6) des Hauptpatentes
für die entsprechende Anordnung mit Wechselstrommeßwerken abgeleitet wurde. Andere
Anordnungen, die die genannten Bedingungen nicht erfüllen, z. B. die Schaltungen
nach den Abb. 7 und 8 des Hauptpatentes, lassen sich nicht in dieser einfachen Weise
durch solche mit Gleichstrommeßwerken ersetzen. Die Schwierigkeit liegt dabei nur
beim Leistungsmeßwerk, denn das zugehörige Stromquadrat- oder Stromproduktmeßwerk
wird von zwei Strömen gespeist, deren Phasenunterschied gleich Null ist oder einen
konstanten Wert hat, so daß es ohne weiteres über Gleichrichterbrücken versorgt
werden könnte. Die Schwierigkeit wird dadurch umgangen, daß für den Leistungsteil
ein anderes an sich bekanntes Verfahren der Leistungsmessung benutzt wird, das darin
besteht, das Quadrat eines Summenausdruckes aus Strom und Spannung zu messen und
davon das Quadrat der entsprechenden Differenz aus Strom und Spannung abzuziehen.
Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, däß als Anzeigegeräte handelsübliche
einfache Geräte benutzt werden können, die erheblich geringeren Leistungsverbrauch
haben als die entsprechenden Wechselstromgeräte und bei denen die Meßergebnisse
gleichzeitig frequenzunabhängig werden.
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Die Leistungsmessung wird beispielsweise mit sogenannten Thermoumformern
oder mit Chronnotronröhien durchgeführt, die erst kürzlich auf den Markt gekommen
sind. Bei den Thermoumformern (Bild r der Zeichnung) wird einem Heizwiderstand y"
die Summe zweier Meßwechselströme, einem anderen Heizwiderstand yb die Differenz
dieser Ströme zugeführt. Von den Meßwechselströmen entspricht der eine dem Spannungsausdruck,
der andere dem Stromausdruck des Hauptpatentes. Es sind dabei die Augenblickswerte
dieser Meßströme kurz mit i. bzw. ii bezeichnet. Soll beispielsweise das Gerät für
die Schaltung nach Abb. 8 des Hauptpatentes benutzt werden, so ist unter i" der
Strom zu verstehen, der (über einen Vorschaltwiderstand) der Spannungsspule des
Meßwerkes 1 zugeführt wird, und unter ii ist die Stromsumme 21 Il + Q2 I2
zu verstehen, mit dem die Stromspule des Meßwerkes I gespeist wird. In jedem der
Heizwiderstände y" und 7b wird dann eine bestimmte Stromwärme erzeugt. Mit den Heizwiderständen
sind Thermoelemente r und 2 isoliert verbunden, an denen Thermospannungen u" und
ub erzeugt werden, die den Stromwärmen verhältnisgleich sind, so daß also u.
- Cl (Zu + 2i)2 bzw. 26b = C2 (Zu - 2i)2 (6) wird. Macht man die Konstanten
und der Thermoumformer gleich groß, nämlich gleich c, so erhält man aus der Differenz
der Thermospannungen die Leistung i N = u. -" ub = C [(Zu + 2i)
2 - (Zu - 2i) 21 = C 42u @i .
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(7) Der Mittelwert der Leistung ist N= ua-ub= cUI cosg9, wobei
U und I die Effektivwerte von Spannung und Strom und 9i die Phasenverschiebung zwischen
ihnen bedeuten. Die Wechselstromleistung kann somit einfach .aus der Differenz der
Thermospannungen 1 ua - ub ermittelt werden.
Sinngemäß wie
die Leistung läßt sich auch das Stromquadrat erfassen. Zu diesem Zweck ist ein dritter
Thermoumformer vorgesehen, durch dessen Heizwiderstand der Strom i. geschickt wird,
der dem entsprechenden Stromausdruck des Hauptpatentes proportional ist. In der
Schaltung nach Abb. 8 des Hauptpatentes stellt i, die Stromsumme Q,I1 + Q,I2 dar,
die in einer Meßschaltung nach Abb. 8 dem Stromquadratmeßwerk II zugeführt wird.
An dem Thermoelement 3 entsteht dann die Thermospannung u..
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Die Differenzspannung ua - ub legt man nun an die eine Spule,
die Thermospannung uo an die andere Spule eines Quotientenmeßgerätes - für Gleichstrom.
Das Quotientenmeßgerät kann entweder ein gewöhnliches Kreuzspulmeßgerät oder ein
anderes Meßgerät von ähnlicher Wirkungsweise sein, z B. ein T-Meßgerät oder ein
Meßgerät, bei dem die gekreuzten Spulen feststehen und der Dauermagnet beweglich
ist.
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Eine bekannte Ausführung des T-Meßgerätes hat einen dauermagnetisierten
Ringkern, in dessen Innenraum sich ein koaxialer Weicheisenkern befindet. In dem
Zwischenraum zwischen Ring und Kern bewegt sich eine Rähmchendrehspule, die den
Kern umschließt. Um 9o° gegen die erste Drehspule versetzt und in T-förmiger Anordnung
fest mit dieser verbunden ist eine zweite Rähmchenspule angebracht, die den Ringquerschnitt
umschließt.
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Die Heizwiderstände und Thermoelemente kann man z. B. etwa in der
Weise zusammenschalten, wie Bild x zeigt. Die ganze Schaltung ist hierbei so abgeglichen,
daß das Meßgerät Null zeigt, wenn alle Heizwiderstände die Temperatur der Umgebung
haben. R1 und R2 sind zusätzliche ohmsche Widerstände, die wie üblich den Spulen
des Meßwerkes vorgeschaltet werden.
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An Stelle von Thermoelementen können auch Widerstandsthermometer verwendet
werden (Bild 2,);
man erhält auf diese Weise stärkere Meßströme. Die Heizwiderstände
erhalten in diesem Falle eine Bewicklung aus temperaturabhängigem Widerstandsmaterial,
z. B. Nickel oder Platin, das gegenüber den Heizwiderständen isoliert sein muß.
Um störende Luftströmungen fernzuhalten, werden die Heizwiderstände mit den Widerstandsdrähten
zweckmäßig in Glaskolben eingeschlossen, die gegebenenfalls luftleer gemacht oder
mit einem neutralen Gas gefüllt werden müssen, wenn die Temperatur der Heizwiderstände
eine Oxydation befürchten läßt. Die temperaturabhängigen Widerstände R", und Raa
werden dann in den oberen Zweig einer Wheatstonschen Brücke gelegt, während der
untere Zweig der Brückenschaltung durch zwei nicht temperaturabhängige Widerstände
R" und R", gebildet wird. Die Brückenschaltung wird durch eine kleineAkkumulatorenbatterie
(eh)
1 U + T 12 - 1 U -T 12 = (U + T cos
p)2 + J2 sin2 p - [(U - T cos (p)2 + J2 sin2 4 = 4 U T cos (P .
An
Stelle der thermischen Geräte können grundsätzlich alle anderen Meßgeräte treten,
die das Quadrat eines Stromes messen, z. B. dynamometrische, Ferraris- und Weicheisensysteme.
Sie haben nur die Bedingung zu erfüllen, daß das Drehmoment des i zJ + j 12-Meßwerkes
in gleicher Weise vom Ausschlag erregt, sie kann aber die erforderliche Gleichspannung
eh auch von einem Gleichrichter (Bild 3) erhalten, der - nötigenfalls unter
Benutzung einer Einrichtung zur Stabilisierung der Spannung, z. B. mittels einer
Glimmlampenstabilisierung - an ein vorhandenes- Wechselstromnetz angeschlossen ist.
Im Nullstromzweig der Brückenschaltung liegt die eine Spule eines gewöhnlichen Kreuzspulmeßgerätes;
die zweite Spule des Kreuzspulmeßgerätes ist dagegen in den Nullstromzweig einer
weiteren Wheatstonschen Brücke geschaltet, die ebenfalls wieder aus der erwähnten
Batterie (eh) bzw. von dem Gleichrichter gespeist wird. In der linken Hälfte
des oberen Brückenzweiges liegt dann nur ein temperaturabhängiger Widerstand Raa,
der als einziger von einem Strom i. (vgl. oben) geheizt wird; in der rechten Hälfte
des oberen Brückenzweiges liegt dagegen der temperaturunabhängige Widerstand Rba,
der mit den übrigen Widerständen Raa, R"a und Rda wieder so abgeglichen ist, daß
der Strom im Brückenzweig verschwindet, wenn alle Widerstände der Brückenschaltung
- die gleiche Temperatur haben.
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Für Schaltungen, in denen nicht das einfache Stromquadrat, sondern
entsprechend etwa der Anordnung gemäß Abb. 7 des Hauptpatentes ein Stromprodukt
gebildet werden soll, sind wie bei dem Leistungsmesser zwei Thermoumformei bzw.
zwei Widerstandsthermometer vorzusehen, die von der Summe der Ströme bzw. Stromsummen,
deren Produkt gebildet werden soll, z. B.
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(QI il + 92 T2) + (61 il + 62 T2)
und
von deren Differenz (e1 T 1 + Q2 J2) - (ß1 T 1 +
62 J2) durchflossen werden.
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Es ist nicht unbedingt nötig, die Summe der Ströme i.. + ii und ihre
Differenz iu - ii durch galvanische Zusammenschaltung zu bilden. Man kann
vielmehr diese Ausdrücke auch in kleinen Zwischenstromwandlern mit getrennten Wicklungen
bilden, so daß die Heizwiderstände der thermischen Geräte aus besonderen Wicklungen
der Zwischenwandler gespeist werden können. Die Zwischenwandler haben den Vorteil,
daß vorhandene Meßwandler ohne Einschränkung für die Temperaturmessung mitbenutzt
werden können. Die allgemeine Anwendbarkeit von Zwischenwandlern ergibt sich schon
daraus, daß das beschriebene Leistungsmeßverfahren sich nicht nur aus den Augenblickswerten,
sondern auch aus dem Zeigerdiagramm nach Bild 4 für einen Strom j und eine Spannung
ü ableiten läßt. Aus diesem Bild ist zu entnehmen (U und J sind die
Beträge von Z1 und j) abhängt wie das Drehmoment des 1 Ü- j 12-Meßwerkes,
damit die Differenz 1 ü + J 12- 1 Ü + J 12 durch Gegeneinanderwirken
der beiden Drehmomente richtig erfaßt wird.
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Bild g zeigt beispielsweise eine Meßanordnung für einen Umspanner
mit Ferrarismeßwerken, die gegenüber
normalen Leistungsmessern
mit Ferrarissystem den Vorteil leichterer Justierbarkeit haben. Der Umspanner selbst
ist nicht gezeichnet; unter ih, ji, U2 und ,j2 - seien die den MeBwandlern entnommenen
Spannungen und Ströme verstanden. Jedes der freien FerrarisstromquadratmeBwerke
i, 2 und 3 besteht aus zwei zueinander parallel geschalteten Spulen q. und 5, von
denen je einer ein Widerstand 6 zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwecks Erzielung
eines kräftigen Drehmomentes vorgeschaltet ist.
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Die Parallelwiderstände 7 dienen - soweit nötig -in an sich bekannter
Weise zur Beseitigung der Frequenzabhängigkeit. Die über Zwischenwandler 8 und 9
gespeisten, einander entgegenwirkenden MeB-werke i und 2 zur Feststellung der Leistung
haben, wie bei Ferrarissystemen (ohne Gegenfeder) üblich, ein vom Ausschlag unabhängiges
Drehmoment, während das Gegenmoment des über den Zwischenwandler io gespeisten Systems
3 für das Stromsummenquadrat (Q,11 -f- Q2 T2) 2 beispielsweise durch exzentrische
Anordnung seiner Triebscheibe ein mit dem Ausschlag a zunehmendes. Drehmoment hat,
damit Gleichung (5) für den Ausschlag erfüllt werden kann.