DEK0026704MA - - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Tag der Anmeldung: 26. August 1955 Bekanntgemacht am 7. Juni 1956
DEUTSCHES PATENTAMT
Bei dem Aufbau von Präzisionsspannungswandlern ist es zweckmäßig, dafür zu sorgen, daß die
Primärwicklung (Hochspannungswicklung) und auch die Sekundärwicklung einen möglichst geringen
Ohmschen und Streuwiderstand aufweisen, damit die Wandlerfehler so klein wie möglich werden.
Handelt es sich um Spannungswandler mit umschaltbarem Übersetzungsverhältnis, so empfiehlt
es sich, darauf zu achten, daß die Ohmschen ίο und Streuwiderstände auch bei jedem gewählten
Übersetzungsverhältnis einander relativ gleich sind, d. h., daß die primären Ohmschen und Streuwiderstände
bezogen auf die Sekundärwicklung einander gleichen.
Die Primärwicklung von Präzisionsspannungs- 15:
wandlern wird entweder als Zylinder- oder Röhrenwicklung oder als Abteilungswicklung ausgeführt,
wobei die letztere bei großer Spulenzahl zu einer sogenannten Scheibenwicklung wird. Die Zylinderoder
Röhrenwicklung, bei welcher die Wicklung in 20, der Regel lagenweise auf den Spulenkörper mit allmählich
abnehmender Lagenlänge aufgewickelt wird, hat den Vorteil großer Spannungsfestigkeit;
die gegebenenfalls notwendigen Anzapfungen lassen sich verhältnismäßig leicht herstellen, indem die
Enden der betreffenden Lagen an den Stirnseiten der Wicklung angezapft und herausgeführt werden.
Durch entsprechende Abstufung der Drähtquer-
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schnitte zwischen den einzelnen Anzapfungen kann man es erreichen, daß die Ohmschen Widerstände
der Primärwicklung bezogen auf die Sekundärwicklung bei allen einstellbaren Übersetzungsverhältnissen
einander gleich sind. Bei den Streuwiderständen ist dies nicht möglich. Denn, es ist, wie
ohne weiteres einzusehen ist, beispielsweise der Streuwiderstand des ersten der Sekundärwicklung
nächstliegenden Wicklungsteiles (d. h. also der zwisehen
dem Wicklungsanfang und der ersten Anzapfung liegenden Wicklungslage bzw. -lagen)
gegenüber der Sekundärwicklung wesentlich kleiner als der Streuwiderstand der ganzen Wicklung (d. h.
also sämtlicher zwischen Wicklungsanfang und -ende liegenden Lagen) gegenüber der Sekundärwicklung.
Weiterhin hat diese Wicklungsanordnung den Nachteil, daß beim Anschluß aller primären
Wicklungsteile der größte Teil der kapazitiven Last, welche durch die Lagenkapazität der einzelnen
Wicklungslagen gegeneinander hervorgerufen wird, von dem speisenden, an den Wicklungsanfang und
das Wicklungsende angeschlossenen Netz getragen wird. Wird dagegen der Spannungswandler beispielsweise
in der Übersetzung betrieben, bei der, wie schon erwähnt, nur der erste Wicklungsteil angeschlossen
wird, so wird zwar der von dessen Lagenkapazität herrührende Teil der kapazitiven
Last vom Netz getragen, die übrigen Wicklungsteile dagegen laufen leer und bilden einen kapazitiv
belasteten Wicklungsteil, so daß der ganze Wandler gewissermaßen eine kapazitiv belastete »Tertiärwicklung«
hat. Die beiden Erscheinungen, nämlich die verringerte Streuung und die vergrößerte kapazitive
Last auf der »Tertiärwicklung«, wirken sich auf die Fehlergrößen des Präzisionsspannungswandlers
im gleichen Sinne aus: Der Spannungsfehler wird verringert bzw. positiver und auch der
Fehlwinkel wandert ins Positive. Es ist schwer möglich, einen solchen Wandler abzugleichen und
eine Kunstschaltung zur Fehlerkorrektur zu benutzen, da die Fehler bei den einzelnen Übersetzungsverhältnissen
verschieden groß sind rind deshalb eine allgemeine Korrektur nicht anwendbar ist.
Bei der anderen bekannten Wicklungsordnung, der Abteilungswicklung bzw. Scheibenwicklung,
werden die einzelnen Wicklungsteile wahlweise in Reihe oder parallel oder teils in Reihe, teils parallel
geschaltet, so daß sich durch diese Umschaltungen die verschiedenen Übersetzungsverhältnisse
ergeben. Diese Wicklungsanordnungen haben den Vorteil, daß ihre Ohmschen Widerstände, bezogen
auf die Sekundärwicklung, genau einander gleich sind und daß auch die Streuwiderstände, bezogen
auf die Sekundärwicklung, einander gleichen. Die kapazitive Belastung der einzelnen Wicklungsabteilungen
ist jedoch verschieden; denn diejenigen Wicklungsabteilungen, welche beispielsweise bei
. Reihenschaltung der gesamten Hochspannungswicklung das höchste Potential gegen Erde aufweisen,
führen einen verhältnismäßig großen kapazitiven Verschiebungsstrom gegenüber der Sekundärwicklung
ab, diejenigen Abteilungen dagegen, welche in der Nähe des Erdpotentials liegen, einen
kleinen kapazitiven Verschiebungsstrom. Bei Parallelschaltung aller Abteilungen ist aber der
Verschiebungsstrom ohnehin gering. Es ist auch wirkungslos, diese Einflüsse etwa durch einen
Schirmbelag der Sekundärwicklung zu beseitigen. Dieser Schirmbelag vermag zwar den Verschiebungsstrom
selber aufzufangen und nach Erde abzuleiten, nicht aber die Wirkung des Verschiebungsstromes auf den Ohmschen und Streuwiderstand
der Primärwicklung.
Die Erfindung betrifft einen Präzisionswandler, dessen Primärwicklung (Hochspannungswicklung)
aus einer Anzahl Wicklungsabteilungen in Scheibenspulenform' besteht und bei dem die geschilderten
Nachteile erfindungsgemäß dadurch vermieden sind, daß jede Wicklungsabteilung von einem elektrostatischen
Schirmbelag umgeben ist, der sich etwa auf dem mittleren Potential der auf dem Umfang
des Querschnittes der Wicklungsabteilungen liegenden Windungen befindet, und daß diese
Schirmbeläge von einem besonderen Transformator oder Spannungswandler (Steuertransformator) aus 85'
gesteuert werden. Die Hochspannungswicklurig des Steuertransformators besteht vorzugsweise ebenfalls
aus einer Anzahl Wicklungsabteilungen in Scheibenspulenform, die vorzugsweise der Zahl der
Wicklungsabteilungen des Präzisionsspannungswandlers entspricht. Besonders vorteilhaft ist es,
wenn der Eisenkern des Steuertransformators in an sich bekannter Weise als Rahmenkern ausgebildet
ist, der auf zwei einander gegenüberliegenden 'Sehenkeln die Wicklungen trägt. Ferner ist es empfehlenswert,
wenn die in der Schaltungsfolge aufeinanderfolgenden Wicklungsabteilungen abwechselnd
auf den beiden gegenüberliegenden Schenkeln des Rahmenkernes angeordnet sind. Vorteilhaft ist
es ferner, wenn der Rahmenkern des Präzisionswandlers und der Rahmenkern des Steuertransformators
die gleiche Symmetrieachse besitzen und ihre Ebenen senkrecht zueinander stehen und weiterhin
der Steuertransformator eine Ausgleichswicklung aufweist, die aus einer Anzahl in Spulenachsrichtung
nebeneinanderliegenden, einander parallel geschalteten Wicklungsabteilungen besteht. Zweckmäßig
wird die Ausgleichswicklung des Steuertransformators zum Anschluß an die Niederspannungsquelle
geeignet ausgebildet, so daß der Steuertransformator gleichzeitig als Erregertransformator
für die Speisung des Präzisionsspannungswandlers und eines zu prüfenden Transformators oder Spannungswandlers
mit Hochspannung verwendbar ist.
In den Abb. 1 bis 5 sind Ausführungsbeispiele für einen Präzisionsspannungswandler gemäß der
Erfindung schematisch dargestellt. Die Abb. 1 zeigt einen Schnitt durch die aktiven Teile des Präzisionsspannungswandlers
mit seinem Steuertransformator. Der rahmenförmige Eisenkern des Steuertransformator
ist mit 10, der rahmenförmige Kern
; des Präzisionsspannungswandlers mit 11 bezeichnet.
Beide Kerne weisen die gleiche Symmetrieachse auf; ihre Ebenen stehen senkrecht zueinander.
Der Rahmenkern 11 trägt auf zwei einander gegen-
: überliegenden Schenkeln die Sekundär- oderNieder-
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Spannungsspulen 12α und I2&. Im erforderlichen
Isolationsabstand von den beiden Spulen i2ß und
i2& sind die scheibenförmigen Primär- bzw. Hochspannungswicklungsteile
13, 14, 15, 16, 17, 18, 19
und 20 angeordnet. Der Steuertransformatoir weist ebenfalls acht Hochspannungswicklungsabteilungen
in Scheibenspulenform auf, die, wie beim Präzisionsspannungswandler,
abwechselnd auf den beiden b.ewickelten
Schenkeln des Rahmenkernes 10 angeord-
net sind. Da die Ebene des Rahmenkernes 10 senkrecht
zu der Ebene des Rahmenkernes 11 liegt, sieht man in Abb. 1 nur die vier Hochspannungsspulen
22, 24, 26 und 28; die anderen vier Scheibenspulen (2i, 23, 25 und 27) sind hier nicht zu sehen. Die
Niederspannungswicklung 40 des Steuertransformators besteht aus einer Mehrzahl in Achsrichtung
nebeneinander auf den beiden bewickelten Schenkeln des Rahmenkernes 10 untergebrachten, einander
parallel geschalteten Wicklungsabteilungen,
was in der Abb. 1 der besseren Übersicht wegen
nicht dargestellt ist. Jeder von den scheibenförmigen Primärwicklungsteilen 13 bis 20 des Präzisionsspannungswandlers
ist von einem elektrostatischen Schirmbelag umgeben; diese Schirmbeläge sind mit
29 bis 36 bezeichnet und haben eine hohlringförmige Gestalt, wobei dieser Hohlring zur Vermeidung
eines Windungsschlusses eine Unterbrechung aufweist. Sie sind gegen ihre Umgebung und gegen
die Auslegungen 41 bis 56 ihrer Wicklungsabtei-
lungen ausreichend isoliert. Das Potential dieser Schirmbeläge wird von den Hochspannungswicklungsteilen
des Steuertransfo'rmators aus gesteuert. Die Enden jeder der. Wicklungsabteilungen des
Steuertransfojrmators sind herausgeführt und an
Klemmen angeschlossen, von denen in Abb. 1 nur die Klemmen 63, 64, 67, 68, 71, 72 und 75, 76 zu
sehen sind. Das mittlere Potential der Hochspannungsspulen des Steuertransformators ist ebenfalls
herausgeführt an acht Klemmen, von denen in
Abb. ι nur die Klemmen 78, 80, 82 und 84 zu sehen sind. Die Steuerung der Schirmbeläge 30, 32,
34 und 36 erfolgt nun durch ihre in der Abb. 1 nicht dargestellte Verbindung mit den Klemmen
78, 80, 82 bzw. 84. Die Schirmbeläge 29, 31, 33 und
35 werden mit den entsprechenden Mittelanzapfungen der vier in Abb. 1 nicht sichtbaren Hoehspannungswicklungsabteilungen
des SteuertransfoTmators verbunden.
Die Abb. 2 zeigt schematisch die Schaltungs-
folge der Hochspannungswicklungsabteilungen des Steuertransformators und des Präzisionsspannungswandlers.
Hier sind auch die in Abb. 1 nicht sichtbaren Hochspannungswicklungsteile 21, 23, 25 und
27 des Steuertransformators mit ihren Anschlußklemmen 61, 62, 65, 66, 69, 70 und 73, 74 sowie
mit ihren jeweils an das mittlere Potential angeschlossenen Klemmen 77, 7g, 81 und 83 dargestellt.
Die letztgenannten Klemmen dienen zur Steuerung der Schirmbeläge 29, 31, 33 und 35 des Präzisions-Spannungswandlers.
Zur Herstellung einer vollen Serienschaltung der Wicklungsabteilungen müssen die aus Abb. 3 ersichtlichen Verbindungen hergestellt
werden; Zweckmäßig wird zur Herstellung dieser Verbindungen ein Schaltstück oder ein
Schaltkranz benutzt, der zu den an den Wicklungsabteilungen 13 bis 28 vorgesehenen Klemmen passende
Klemmen 85 bis 108 und in bis 134 aufweist. Die Klemme 61 wird also mit der Klemme
in, die Klemme 77 mit der Klemme 112, die Klemme 62 mit der Klemme 113, die Klemme 63
mit der Klemme 114 usw. .bis Klemme 56 mit der Klemme 108 verbunden. Man erhält auf diese Weise
eine volle Serienschaltung der Wicklungsabteilungen des Präzisionsspannungswandlers und eine entsprechende
Steuerung ihrer Schirmbeläge 29 bis 36. Die Hochspannung kann dem Wandler an den
Klemmen 109 und 110 zugeführt werden, die an dem Schaltstück bzw. Schaltkranz entsprechend angeordnet
werden.
Die Abb. 4 zeigt die Verbindungen, die zur Herstellung einerHalbserien-, Halbparallelschaltung1 des
Präzisionsspannungswandlers notwendig sind. Bei dieser Schaltung sind also je zwei elektrisch nebeneinander-
bzw. räumlich einander gegenüberliegende Spulen parallel geschaltet; die aus Abb. 4 ersiehtliehen
Verbindungen werden zweckmäßig wieder in einem weiteren passenden Schaltstück bzw.
Schaltkranz vorgesehen. Aus den beiden dargestellten Beispielen lassen sich ohne weiteres die zur
Herstellung anderer Sclialtungsarten erforderlichen Schaltverbindungen herleiten; für diese werden entsprechend ausgebildete weitere Schaltstücke oder
Schaltkränze vorgesehen, die dann je nach der.gewünschten Schaltungsweise wahlweise verwendet
werden.
Ein derart gemäß der Erfindung aufgebauter Präzisionsspannungswandler
hat, wie schon erläutert wurde, den Vorteil, daß seine Ohmschen und Streuwiderstände
bei allen Übersetzungsverhältnissen die gleichen sind und daß die kapazitiven Leckströme
der Hochspannungswicklung den Wandler nicht belasten bzw. die restlichen Leckströme, welche
zwischen den Windungen der Hochspannungswicklung und dem zugehörigen Schirmbelag fließen,
immer die gleiche Größenordnung haben und außerordentlich gering sind. Ein solcher Wandler läßt
sich allerdings hochspannungsseitig nur im Verhältnis 1:2:4:16:32 usw. in seiner Übersetzung ändern,
d. h., zwischen den einzelnen Übersetzungsverhältnissen treten also immer Sprünge im Ver-
hältnis 1:2 auf. An und für sich kann man diese Sprünge durch eine Umschaltung der Windungszahl
der Sekundärwicklung noch feiner unterteilen, jedoch hat sich in der Praxis als nachteilig erwiesen,
den verhältnismäßig großen Umschaltbereich von ι: 2 auf diese Weise zu überbrücken. Wesentlich
vorteilhafter ist es, wenn die einzelnen Primär- bzw. Hochspannungswicklungsabteilungen mit
Anzapfungen versehen werden. Beschränkt man sich auf eine Änderung der Übersetzungen jeder
Abteilung etwa im Verhältnis 1:1,5, so ist es auch
möglich, bei diesen beiden Übersetzungsverhältnissen den Streuwiderstand und den Ohmschen Widerstand, bezogen auf die Sekundärwicklung, einander
gleich zu halten. Die Abb. 5 zeigt ein Beispiel für eine solche Wicklungsanordnung, und zwar für die
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erste Hochspannungswicklungsabteilung 13 des Präzisionsspannungswandlers. Die Wicklungsabteilung
13 weist hier zwei Umschaltmöglichkeiten auf; entweder ist die Hochspannungswicklung zwischen
den Klemmen 135 und 136 eingeschaltet oder zwischen den Klemmen 41 und 42. Durch entsprechende
Wahl der Kupferquerschnitte und der Windungszahlen dieser Wicklungsabteilung läßt es sich ohne
weiteres erreichen, daß sowohl die Ohmsehen Widerstände, bezogen auf die Sekundärwicklung ΐ2Λ,
als auch die Streuwiderstände, bezogen auf die Sekundärwicklung i2a, genau gleich sind. Diese Wicklungsanordnung
ermöglicht es also, den Wandler hochspannungsseätig im Verhältnis 1:1,5:2:3:4:6:8
■ usw. umzuschalten. Eine weitergehende Umschaltung erfolgt zweckmäßig durch Änderung der Induktion
bzw. durch Änderung der Windungszahl der Sekundärwicklung oder durch Verwendung eines Hilfswandlers (Zwischenwandlers).
Die Umschaltung der vielen hoehspannungsseitigen Anzapfungen ist keineswegs zeitraubend oder
umständlich; denn sie kann durch wahlweise zu benutzende Schaltstücke oder Schaltkränze, wie schon
oben kurz erwähnt, sehr einfach durchgeführt werden. Es ist auch bereits ein Präzisionsspannungswandler
vorgeschlagen worden, der hochspannungsseitig eine Vielzahl von Anzapfungen aufweist, die
an in einem Isolierstoff ring des Wandlergehäuses vorgesehene Durchführungsbolzen geführt sind:, welche
auf den Umfang des IsolierstofFringes vorzugsweise gleichmäßig verteilt in einer oder mehreren
Ebenen angeordnet sind. Zur Herstellung der verschiedenen Verbindungen dienen gemäß dem älteren
Vorschlag ein oder mehrere entfernbare Isolierringe (Schaltkränze), welche den Isolierstoff ring
konzentrisch umgeben und auf ihrer Innenfläche entsprechend miteinander elektrisch verbundene
Kontaktstücke tragen, die mit den dazu passend ausgebildeten, nach außen aus dem Isolierstoffring
vorstehenden Enden der Ausführungsbolzen in Kontaktberührung kommen. Derartige Schaltkränze
kann man auch zur gemeinsamen Umschaltung der Hochspannungswicklung des Präzisionsspannungswandlers
und des Steuertransformators gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden. Ebenso wie man
die gesamten Windtingszahlen der einzelnen Wicklungsabteilungen
(in Abb. 5 also die Wicklung zwischen den Klemmen 41 und 42) wahlweise in Serienoder
Parallelschaltung usw. umschalten kann, lassen sich auch entsprechende Umschaltungen bezüglich
der Teilwindungszahleri der Wicklungsabteilungen, entsprechend den Klemmen 135 und 136 in
Abb. 5, durchführen. In diesem Fall führt man zweckmäßig alle Klemmen, welche den Klemmen
41 und 42 entsprechen, an den einen Halbkreis eines Vielfachdurchführungskranzes und alle Klemmen,
welche den Klemmen 135 und 136 entsprechen,
an den anderen Halbkreis des Durchführungskranzes. Dabei muß dann der Schaltkranz jeweils i8o°
überdecken. Die Hochspannungsanzapfungen des Steuertransformators werden dabei an jede Seite
des Durchführungskranzes geführt und von dem Schaltkranz entsprechend erfaßt. In Abb. 5 ist noch
schematisch angedeutet, wie . man die Hochspannungswicklungsabteilung
13 mit ihrem Schirmbelag durch Winkelringe 137, 138 und 139 gegenüber
der Sekundärwicklung I2(( und dem nicht gezeichr
neten Eisenkern bzw. dessen unbewickelten Schenkeln ausreichend isolieren kann, ohne die Baulänge
wesentlich zu vergrößern.
Der Prazisionsspannungs-wandler wird mit dem
Steuertransformator zweckmäßig in einem gemeinsamen mit Isolierflüssigkeit gefüllten Gehäuse
untergebracht.
Claims (8)
1. Präzisionsspannurigswandler, dessen Primärwicklung
(Hochspannungswicklung) aus einer Anzahl Wicklungsabteilungen in Scheibenspulenform
besteht, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wicklungsabteilung von einem elektrostatischen
Schirmbelag umgeben ist, der sich etwa auf dem mittleren Potential der auf dem Umfang des Querschnittes der Wicklungsabteilung
liegenden Windungen befindet, und daß diese Schirmbeläge von einem besonderen Transformator
oder Spannungswandler (Steuertransformator) aus gesteuert werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die einzelnen, von den hohlringförmigen Schirmbelägen jeweils umgebenen Wicklungsabteilungen nebeneinander derart angeordnet
sind, daß die Schirmbeläge gegen ihre Umgebung und gegen die Ausleitungen ihrer Wicklungsabteilungen ausreichend isoliert sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochspannungswicklung des Steuertransformators ebenfalls aus einer Anzahl Wicklungsabteilungen in Scheibenspulenform
besteht, die vorzugsweise der Zahl der Wicklungsabteilungen des Präzisionsspannungswandlers
entspricht.
4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern des
Präzisionsspannungswandlers und/oder der Eisenkern des Steuertransformators in an sich
bekannter Weise als Rahmenkern ausgebildet ist, der auf zwei einander gegenüberliegenden
Schenkeln die Wicklungen trägt.
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Schaltungsfolge aufeinanderfolgenden Wicklungsabteilungen
abwechselnd auf den beiden gegenüberliegen-
■ den Schenkeln des Rahmenkernes angeordnet sind.
6. Anordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Rahmenkern des Präzisionsspannungswandlers und der Rahmenkern des>
Steuertransformators die gleiche Symmetrieachse aufweisen und ihre Ebenen senkrecht zueinander
stehen. ■ ~
7. Anordnung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuertransformator eine Aus-. gleichswicklung aufweist, die aus einer Anzahl
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in Spulenachsrichtung nebeneinanderliegenden,
einander parallel geschalteten Wicklungsabteilungen besteht.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichswicklung des
Steuertransformators zum Anschluß an die Niedierspannungsquelle geeignet ausgebildet ist,
so daß der Steuertransformator gleichzeitig als Erregertransformator für die Speisung des Präzisionswandlers
und ©ines zu prüfenden Transformators oder Spannungswandlers mit Hochspannung
verwendbar ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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