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Ruhender Gleichstrommeßwandler
Zur Messung hoher oder hochgespannter
Gleichströme ohne Nebenschlußwiderstand gibt es meh rere Möglichkeiten. Man kann
z. B. das magnetische Feld in einem ganz oder teilweise dem Leiter umschließenden
Eisenkörper unmittelbar durch Schwingspulen oder rotierende Spulen messen oder auch
durch einen Hilfsgleichstrom kompensieren und den zur Kompensation erforderlichen
Strom messen.
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Ferner ist bekannt, zur Gleichstrommessung einen kleinen Gleichstromgenerator
zu verwenden, dessen vom Gleichstrom erzeugtes Erregerfeld sich selbst durch den
Ankerstrotn kompensiert und dessen Ankerstrom gemessen wird. Infolge der Notwendigkeit,
einen Gleichstromgenerator zu verwenden, ist eine solche Anordnung kostspielig undwartungsbedürftig.
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Ein anderes Meßverfahren beruht auf dem Grundsatz der Frequenzvervielfachung
durch Gleichstromvormagnetisierung zweier Wechselstromdrosseln. Dabei wird der Strom
der durch das Arbeiten im Sättigungsgebiet des Eisenkernes auftretenden zweiten
Harmonischen durch geeignete Schaltungen herausgesiebt und dient als Maß für die
Höhe des Gleichstromes.
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Eine weitere Möglichkeit zur Gleichstrommessung liefert das bekannte
Besagverfahren mit durch Gleichstrom vormagnetisierten Wechselstromdrosseln, deren
Magnetisierungsstromaufnahme vom Gleichstrom abhängt. Die Anordnung ist dabei so
getroffen, daß die Wechselstromwicklungen zweier den Gleichstromleiter umgebender
Eisenkerne mit entgegengesetztem Wicklungssinn parallel geschaltet sind. Ein in
dem Wechselstromkreis eingeschal-
teter Wechselstrommesser kann
unmittelbar in Gleichstromampere geeicht werden. Zur Ausscheidung der Remanenzfehler
muß der Eisenkern aus sehr weichem Material bestehen und ferner einen oder mehrere
Luftspalte besitzen. Da die Messung natürlich von der Spannung, der Frequenz und
der angeschlossenen Bürde abhängig ist, muß die Besagschaltung entweder in einer
Brückenschaltung angewendet werden, wobei man ein fremderregtes Elektrodynamometer
verwendet oder auch ein Drehspulinstrument mit Gleichrichter, oder aber es muß die
Spannung der Anordnung mit einem Spannungskonstanthalter stabilisiert werden.
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Bei der Untersuchung hochpermeabler Eisensorten in der Besagschaltung
kommt Keinath an Hand seiner Messungen mit verhältnismäßig geringen Sättigungsgraden
zu der Auffassung, daß der Nickeleisenkern in der Besagschaltung bei der Messung
hoher Gleichströme gegenüber gewöhnlichem Eisen keine wesentlichen Vorteile bietet,
und hält sogar eine künstliche Herabsetzung der Permeabilität mit Hilfe eines Luftspaltes
für erforderlich.
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Alle diese ruhenden Gleichstrommeß einnohtun gen sind spannungs-,
frequenz- und bürdenabhängig.
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Demgegenüber wird nach der Erfindung ein ruhender Gleichstrommeßwandler
mit echtem, dem Wechselstromwandler gleichwertigen Eigenschaften erzielt. Gegenstand
der Erfindung ist ein ruhender Gleichstrommeßwandler mit zwei ferromagnetischen
Kernen, die von dem zu messenden primären Gleichstrom vormagnetisiert werden und
an einer Wechselspannung liegende, mit entgegengesetztem Wicklungssinn geschaltete
Wechselstromwicklungen tragen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß unter Verwendung
von hochpermeablem Kernmaterial durch hohe Gleichstrommagnetisierung der Arbeitsbereich
P (Fig. 2) des Wandlers so weit im Sättigungsgebiet liegt, daß die Magnetisierungskurve
praktisch rechteckig verläuft, derart, daß in gleichem Maße wie bei einem Wechseistromwandler
das Gesetz der Amperewindungsgleichheit erfüllt ist, und daß durch Gleichrichtung
des Sekundärstromes ein proportionales und formgetreues Abbild des Primärstromes
erzielt wird.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert:
Der aus der Fig. I a ersichtlicheWandlerkern besteht aus zwei geschichteten gleichen
Eisenringen I und 2. Jeder Ring trägt mehrere über seinen Umfang verteilte und parallel
geschaltete Wechselstromwicklungen 3. Die Wicklungen beider Ringe sind mit entgegengesetztem
Wicklungssinn in Reihe geschaltet. Der Gleichstromleiter 8 ist in einer oder mehreren
Windungen durch beide Ringe geführt.
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Es sei dem Wandlereisen zunächst die in Fig. 2 dargestellte ideale
Magnetisiernngskurve zugesprochen; die Induktion erreicht demnach schon bei sehr
kleiner Magnetisierung ihren Höchstwert Brnax und verläuft bei weiterer Magnetisierung
parallel zur Abszisse. Der Gleichstrommagnetisierung AWI entspreche der Arbeitspunkt
P der Magnetisierungskurve. Legt man jetzt an die Sekun därwicklung der Ringe nach
Fig. 1 a die Wechselspannung U, so muß ein Wechselfluß in den Ringen sich dem Gleichfluß
überlagern, welcher der angelegten Spannung entspricht. Beispielsweise sei in der
ersten Halbperiode die Wechselstrommagnetisierung in Ring I der Gleichstrommagnetisieruug
entgegengerichtet, in Ring 2 gleichgerichtet. Nach Fig. 2 ist aber eine Induktionserhöhung
nicht mehr möglich. Es kann daher Ring 2 auf die Begrenzung des Magnetisierungsstromes
keinen Einfluß mehr ausüben, da kein zusätzlicher Fluß mehr gebildet werden kann.
Anders verhält sich Ring 1, in dem in der gleichen Halbperiode eine Fluß senkung
erfolgen muß. Bevor die Flußsenkung erfolgen kann, muß die Gleichstromvormagnetisierung
X4WI durch eine gleich starke Wechselstrommagnetisierung kompensiert werden. Dann
erst erfolgt die Ausbildung des Wechselfeldes durch Schwächung des bestehenden Gleichflusses
bei Voraussetzung einer rechteckigen Magnetisierungskurve ohne weiteren AW-Aufwand.
Bei der nächsten Halbperiode übernimmt Ring 2 die Rolle von I. Es bildet also jeder
Ring nur eine Flußhalbwelle aus.
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Hieraus folgt, daß der aufgenommene Magnetisierungsstrom im Idealfall
eine rechteckige Kurvenform hat (Fig. 2). Se!in Höchstwert, der gleichzeitig auch
sein Effektivwert ist, entspricht mit der Windungszahl der Sekundärwicklung multipliziert
der Gleichstrommagnetisierung.
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JII ( ~ ) () WII = JI ( (=) wi.
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Die Höhe der Wechselspannung ist beim idealen Eisen ohne Einfluß
auf den Sekundärstrom, da dem Wechsel stromnetz nur der Kompensationsstrom entnommen
wird. Die überlagerte Wechselflußinduktion kann theoretisch zwischen. den Werten
U = o 2BmaX schwanken, ohne daß sich der Sekundärstrom JII ändert. Ist der Wandler
mit einer Bürde R mit dem WiderstandZ belastet, so muß Emin > JII n Z sein, da
die jetzt erforderliche Leistung, welche die Primärseite naturgemäß nicht abgeben
kann, dem Wechselstromnetz entnommen wird.
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Ebenso wie die Spannungsabhängigkeit läßt sich auch seine Frequenzunabhängigkeit
nachweisen.
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Richtet man den Wechselstrom der Sekundärseite gleich (Fig. Ib),
so ergibt seine rechteckige Kurvenform im Idealfalle einen vollkommen wellenfreien
Gleichstrom, der ebenfalls olme Fehler die Bedingung der Amperewindungsgleichheit
erfüllt.
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Selbst starke Verzerrungen der Wechselspannung wirken sich nicht
merklich auf den Sekundärstrom aus, da sie auf die Größe der Kompensationsamperewindungen
keinen Einfluß haben. Sie verzerren ausschließlich den Magnetisierungsstrom, der
als Fehlerstrom beim idealen Wandler unendlich klein ist.
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Die Welligkeit des Gleichstromes wird vollkommen auf die Rechteckkurven
der Sekundärseite übertragen, und zwar trotz der Gegenschaltung der Wandlerringe
(Fig. 2). Dies erklärt sich aus der magnetischen Unwirksamkeit je eines Wandlerringes
in einer Halbperiode.
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Bei Belastung des Wandlers ohne Gleichrichtung des Sekundärstromes
durch eine induktive Bürde findet die senkrechte Front der rechteckigen Stromhalbwelle
einen hohen Widerstand und muß sich etwas abflachen. Damit ist die Möglichkeit eines
Wandlerfehlers gegeben. Es ist daher besonders vorteilhaft, in dem Sekundärstrom
einen Gleichrichter 5 (vgl. Fig. 1 b) zu verwenden.
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Für den Wandlerkern ist hochpermeables Eisen mit scharfem Sättigungsknick,
wie z. B. Nickeleisenlegierungen oder Werkstoffe mit ähnlicher Magnetisierungscharakteristik,
zu verwenden. Eine befriedigende Annäherung der Magnetisierungskurve an die ideale
Rechteckkurve kann bei hochpermeablem Material durch entsprechende Wahl des Arbeitspunktes
P dadurch erreicht werden, daß man die Feldstärke der Gleichstromvormagnetisierung
so hoch wählt, daß gegen sie die zur Sättigung des Materials erforderliche Feldstärke
vernachlässigbar klein ist.
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Bei nicht konzentrischen Gleichstroinfeldern tritt eine Wechselwirkung
zwischen Gleichfluß und Wechselfluß ein, derart, daß der eine den anderen zu verdrängen
sucht. Es würde also auf die mit Gleichfluß gesättigten Teile desRinges ein schwacher
Wechselfluß entfallen, was den Arbeitsbedingungen des Stromwandiers vollkommen widerspricht
und zu erheblichen Fehlern Anlaß geben kann. Um dies zu vermeiden, ist die Wechselstromwicklung
jedes Ringes in mehrere Gruppen gleicher Windungszahl aufgeteilt, die parallel geschaltet
sind. Eine entsprechende Wicklung des anderen Ringes ist dieser entgegengeschaltet.
Daraus ergeben sich die aus den Fig. 3 und 4 ersichtlichen Schaltungen. Hiermit
ist in jedem Teil des Ringes die Wechselflußinduktion konstant. Sind die innerhalb
des Ringes auftretenden Gleichstromfeldstärken verschieden, was bei großen Ringdurchmessern
unvermeidlich ist, so wirkt jetzt der Wandler wie eine Reihe parallel geschalteter
Einzelstromwan.dler, die entsprechend den verschiedenen Primäramperewindungen verschiedene
Sekundärströme führen, die als Summe dem gesamten primären Gleichstrom entsprechen.
Mit der erwähnten Reihenparallelschaltung ist der Wandler im hohen Maße von seiner
Lage zum Gleichstromleiter unabgängig.
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Behält man die einfache Reihenschaltung der Wicklung bei, so muß,
um die geschilderten Nachteile zu vermeiden, eine in mehreren Gruppen parallel geschaltete
Schubwicldung 6 zum Ausgleich gemäß der Fig. 5 auf jedem Ring angebracht werden.
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Bei der Verwendung von unter dem Warenzeichen M-Metall bekannten
Legierungen erhält man mit verhältnismäßig geringem Materialaufwand einen Wandler,
der bei guter Belastbarkeit eine Genauigkeit von + 0,5 bzw. 1 0/o einhalten kann.
Bei einer Schwankung der angelegten Wechselspannung um etwa + 30°/o, also bei einem
Wert, der in Wechsel stromnetzen praktisch nicht möglich ist, tritt eine Schwankung
des Sekundärstromes von höchstens + 0,2 0/o ein.
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Aus der Fig. 6 ist noch eine besonders zweckmäßige Abgleichmöglichkeit
des Wandlers ersichtlich. Zum Abgleichen des Wandlers ändert man bekenntlich die
Windungszahl der Sekundärwiclçlung Da dies bei mehrfacher Parallelschaltung umständlich
ist, empfiehlt sich die Verwendung eines Wechselstromzusatzwandlers in Sparschaltung.
Dieser Wandler wird sehr klein, da der größte Teil seiner Wicklung Wz nur den Differenzstrom
d J,,' = JII' - Jii führt. Der Abgleich kann sodann mit einer Änderung der Windungszahl
1v1 vorgenommen werden.
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PATENTANSPROCHE: I. Ruhender Gleichstrommeßwandler mit zwei ferromagnetischen
Kernen, die von dem zu messenden primären Gleichstrom vormagnetisiert werden und
an einer Wechselspannung liegende, mit entgegengesetztem Wicklungssinn geschaltete
Wechseistromwicklungen tragen, dadurch gekennzeichnet, daß unter Verwendung von
hochpermeabiem Kernmaterial durch hohe Gleichstrommagnetisierung der Arbeitsbereich
(P, Fig. 2) des Wandlers so weit im Sättigungsgebiet liegt, daß die Magnetisierungskurve
praktisch rechteckig verläuft, derart, daß in gleichem Maße wie bei einem Wechselstromwandler
das Gesetz der Amperewindungsgleichheit erfüllt ist, und daß durch Gleichrichtung
des Sekundärstromes ein proportio,nales und formgetreues Abbild des Primärstromes
erzielt wird.