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Windungszahlprüfqerät
Bei der Herstellung und Verwendung von Spulen
für elektrische Geräte, wie z. B. Relais, Elektrizitätszähler usw., erweist es sich
öfters als notwendig, die Anzahl der auf den Spulen aufgetragenen Windungen nachzuprüfen.
Dazu dienen sogenannte Vindungsahlprüfgeräte. Bei der einfachsten Ausführung eines
solchen Gerätes wird die zlu prüfende Spule über ein abnehmbares Joch eines U-förmigen
Eisenkernes geschoben, der mit einer Erregerwicklung versehen ist. Als Anzeigegerät
dient ein an die Klemmen der zu prüfenden Spule angeschlossener Spannungsmesser.
Dieses Gerät setzt einen konstanten magnetischen Fluß im magnetischen Kreis voraus,
damit die induzierte Spannung in der zu prüfenden Spule tatsächlich ihrer Windungszahl
proportional ist. Da vor jeder Messung eine Prüfung des magnetischen Flusses stattfinden
muß, ist dieses Gerät für Reihenprüfungen ungeeignet.
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In der Fig. I der Zeichnung ist ein Windungszahlprüfgerät dargestellt,
wie es heute zur Mes, sung der Windungszahl von Spulen verwendet wird. Auf dem U-förmigen
Eisenkern I ist außer der Erregerwicklung 2, welche mit einem netzfrequenten
Strom
Je erregt wird und einen magnetischen Fluß #M erzeugt, noch eine als Normal: dienende
Spule 3 mit WN Windungen aufgesetzt. Die zu prüfende Spule 4 mit Wp Windungen wird
jeweils auf den freien Schenkel des U-förmigen Eisenkernes 1 aufgeschoben und hierauf
der magnetische Pfad für den Fluß #M durch Aufsetzen des Joches 5 geschlossen. An
den Klemmen 6, 7 der Normalspule 3 ist ein Spannungsteiler 8 mit dem Ohmschen Widerstand
RN angeschlossen, dessen Abgriff g mit der einen Eingangsklemme 10 eines Verstärkers
ii verbunden ist. Die Klemme 12 der Prüfspule 4 ist mit der Klemme 7 der Normalspule
3 und die Klemme 13 der Prüfspule 4 mit der anderen Eingangsklemme 14 des Verstärkers
11 verbunden. An den Verstärkerausgangsklemmen I5, I6 ist über einen Trockengleichrichter
17 in Vollwegschaltung ein Sapnnungsmesser 18 angeschlossen.
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Wie aus der nachfolgenden Untersuchung des in der Fig. I dargestellten
bekannten Windungszahlprüfgerätes hervorgeht, weist dieses erhebliche Nachteile
auf.
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Durch den Fluß #M wird in der Prüfspule 4 bei sinusförmiger Erregung
die Wechselspannung Up = 4,44 f#p#M 10-8 induziert und in der Normalspule 3 die
Wechselspannung UN = 4,44 fWX (tM 10-8.
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Unter Vernachlässigung der magnetischen Streuung ist WN/wp = UN/UP
und daraus wp = wn # (Up/UN). Am Spannungsteiler 8 kann eine variable Tellspannung
UNI abgegriffen werden.
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Die beiden Spannungen Up und UN1 werdeni einander entgegengeschlatet,
so daß am Verstärkereingang die Differenz U derselben zur Wirkung kommt. Die verstärkte
Difterenzspannung wird durch den Gleichrichter I7 gleichgerichtet und gelangt am
Sapnnungsmesser I8 zur Anzeige.
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Beim Gebrauch des Gerätes wird der Mittelabgriff g des Spannungsteilers
8 so stange verschoben, bis der Ausschlag am Spannungsmesser minimal wird. In diesem
Fall sind die Beträge der beiden Spannungen Up und UN1 einander gleich und aus der
Stellung des Mittelabgriffes g kann die Windungszahl wp festgestellt werden.
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Dadurch, daß die Normalspule 3 mit dem Spannungsteiler 8 belastet
wird, ergibt sich nun aber, daß der Fluß #M in dem der Normalspule 3 zugeordneten
Kernteil ebenfalls entsprechend belastet wird, eo daß er, als Vektor betrachtet,
seinem Erregerstrom um einen bestimmten Winkel a nacheilt. Bei der Prüfspule 4 findet
ein ähnlicher Vorgang hingegen nicht statt, da diese wegen des hochohmigen Verstärkereinganges
praktisch unbelastet ist. Wegen der im magnetischen Kreis auftretenden Streuung
ergibt sich daraus, daß die Phasenlage des Flusses #M nicht mehr in allen Punkten
des magnetischen Kreises dieselbe ist, sondern eine Funktion des Ortes. Diese Verhältnisse
bedingen, daß die beiden transformatorisch induzieren Spannungen Up und UNi, die
ihrem -magnetischen Fluß um 90° nacheilen, gegeneinander ebenfalls um einen kleinen
Winkel ## phasenverschoben sind, wie dies in der Fig. 2, die ein Zeigerdiagramm
für diese beiden Spannungen zeigt, angedeutet ist. Aus diesem Zeigerdiagramm geh,
hervor, daß beim Einstellen des Spannungsteilers 8, beispielsweise auf die Teilspannungen
UN11, UNI2 bzw. UN13, entsprechende Differenzspannungen # Ut, #U2, bzw. #U3 entstehen.
Letztere lassen sich in eine Längskomponente in Richtung der Teilspannungen und
in eine dazu senkrecht stehende Querkomponente zerlegen. Für die Teilspannung UNÜ
ist die Differenzspannung gleich # U1. Ihre Längskomponente ist positiv und gleich
UN11 - UN12 und ihre Querkomponente gleich # U2. Für UN12 gleich U, ist die Längskomponente
gleich Null und die Querkomponente gleich d U2, während für die Teilspannung UN13
kleiner als Up die Längskomponente negativ und gleich UN13 - UN12 ist und die Querkomponente
wieder gleich #U2. Bei der bekannten Schaltung gemäß Fig. I wird beim Abgleichen
die Längskomponente der Differenzspannung zum Verschwinden und nur die Querkomponente
zur Anzeige gebracht. Diese Methode hat den Nachteil, daß die Genauigkeit der Abgleichung
verhältnismäßig gering ausfällt; denn die zugehörige Abgleichkurve, die in der Fig.
3 dargestellt ist, weist an der Abgleichstelie einen flachen Verlauf auf, der um
so flacher ausfällt, je größer die Querkomponente der Differenzspannung ist.
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Ein weiterer Nachteil des bekannten W'indungszahlprüfgerätes ergibt
sich durch die Verwendung von Gleichrichtern, da diese für kleine Ströme unempfindlich
sind. Je nachdem man das Ausschlagsminimum am Sapnnungsmesser 18 durch Vergrößerung
oder durch Verkleinerung von UN1 einstellt, erhält man dadurch zwei verschiedene
Stellungen für den Mittelabgriff g (s. Fig. 3), und man muß dann die richtige Windungszahl
durch Mittelwertbildung ausrechnen. Dadurch geht für die Prüfung einer Spule verhältnismäßig
viel Zeit verloren, und das bekannte W'indungszahlprüfgerät eignet sich nicht für
Reihenprüfungen.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Windungszahlprüfgerät ähnlicher
Art wie das oben beschriebene Gerät mit Normalspule. Es werden also auch bei ihm
die in der Normalspule und in der Prüfspule induzierten Spannungen einander entgegengeschaltet,
und die Differenzspannung wird in einem Verstärker verstärkt. Die obenerwähnten
Nachteile werden jedoch erfindungsgemäß, dadurch umgangen, daß am Verstärkerausgang
der Spannungskreis eines dynamometrischen Wattmeters angeschlossen ist, dessen Stromkreis
über eine den Wattmeterstromwzeiger in Richtung des Zeigers der in der Normalspule
induzierten Spannung drehende Impedanz an das gleiche Netz angeschlossen ist wie
die Eisenkernerregerspule.
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In der Fig. 4 ist ein Schaltschema des Windungszahlprüfgerätes nach
der Erfindung dargestellt.
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Darin wurden die mit den Schaltteilen der Fig. I iibereinstimmenden
Schaltteile mit den bereits verwendeten Bezugszeichen versehen, so daß sich ibre
nochmalige Aufzählung erübrigt. Die am Verstärkerausgang I5, I6 auftretende verstärkte
Differenzspannung Uw, die der am Verstärkereingang 10, I4 zur Wirkung kommenden
Differenzspannung # U
proportional und mit ihr in Phase ist, wird
beim neuen Gerät nicht mehr gleichgerichtet und mit einem Spannungsmesser gemessen,
sondern direkt auf den Spannungskreis eines dynamometrischen Wattmeters 19 geschaltet,
dessen Stromkreis über eine Impedanz 20 an ein Netz gleicher Frequenz wie dasjenige,
an welches die Erregerspule 2 angeschlossen, geschaltet ist und durch einen konstanten
Strom Jw erregt wird. Der Ausschlag des Wattmeters 19 gibt dann direkt die Anzahl
von Windungen an, durch welche sich die Prüfspule 4 von dem am Spannungsteiler 8
eingestellten Windungszahlsollwert unterscheidet, d. h. im Gegensatz zur indirekten
Meßmethode gemäß der Ausführung nach der Fig. I liegt jetzt eine direkt anzeigende
Meßmethode vor. Der Wattmeterausschlag ist proportional dem Produkt des konstanten
Stromes Jlv, der verstärkten Differenzspannung Uw und dem Kosinus des Winkels ß,
den die Zeiger dieser beiden Größen miteinander einschließen.
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Vermittels der Impedanz 20 im Stromkreis des Wattmeters 19 wird die
Phasenladge des Stromes Jw so eingestellt, daß dessen Zeiger die gleiche Richtung
aufweist wie der Zeiger der Spannung UN bzw UN t der Normalspule 3. Da andererseits
Uw in Phase tnit #U U liegt und Jw konstant ist, zeigt das Wattmeter 19 einen Ausschlag,
welcher proportional der Komponente von Uw in Richtung von Jw ist, d. h. proportional
dem Produkt Uw cos fl. Diese Komponente ist tatsächlich ein Maß für die AXweich,
wng der Windungszahl der zu prüfenden Spule gegenüber dem am Spannungsteiler 8 eingestellten
Windung zahlsollwert. Die Querkomponente Uw s-in,ß hat auf die Anzeige des Wattmeters
19 keinen Einfluß, da sie senkrecht auf JW steht. In den Diagrammen der Fig. 5 und
6 sind diese Verhältnisse dargestellt.
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Da der Ausschlag des Wattmeters 19 auch von der Richtung der Komponente
UW cos ß abhängig ist, wird ein Wattmeter mit Nullmittelskala verwendet, welches
ein Zuviel und ein Zuwenig an Windungen durch entgegengerichtete Ausschläge anzeigt.
Die Prüfung einer Spule wird wie folgt vorgenommen: Am Spannungsteiler 8, der direkt
in Windungszahlen geeicht ist, wird die Sollwindungszahl der zu prüfenden Spule
4 eingestellt. Letztere wird auf den U-förmigen Kern I aufgeschoben, angeschlossen
und das Joch 5 aufgesetzt. Das Wattmeter 19 zeigt dann einen Ausschlag, der proportional
ist dem Windungszahlunterschied zwischen der am Spannungsteiler 8 eingestellten
Sollrwindungszahl und der Anzahl von Windungen, die auf der zu prüfenden Spule 4
tatsächlich vorhanden sind. Die Wattmeterskala wird deshalb zweckmäßig direkt in
Differenzwindungszahlen geeicht. Um verschiedene Bereiche überstreichen zu können.
wird am Verstärkereingang zweckmäßig noch ein Stufenspannungsteiler vorgesehen,
durch den verschiedene Empfindlichkeiten eingestellt werden können.
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Zu beachten ist, daß im Wattmeter 19 nur ein Strom mit einer Spannung
derselben Frequenz ein konstantes Drehmoment bilden kann. Eine Beeinfluss, ung des
Meß resultates durch Spannungsoberwellen ist daher nicht möglich. Beim bekannten
Windungszahlprüfgerät verursachen hingegen die Spannungsoberwellen eine Verflachung
der Abgleichkurve, wodurch die Abglichgenauigkeit vermindert wird.
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Der Hauptvorteil des beschriebenen Windungszahlprüfgerätes liegt
darin, daß die Abweichungen der Windungszahl von Spulen gegenüber einem beliebigen
einstellbaren Sollwert durch direkte Anzeige an einem Instrument sichtbar gemacht
wird, so daß dasselbe für die Reihenprüfung von Spulen besonders gut geeignet ist.