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Meßverfahren an von einem Wechselstrom magnetisierten, mit einer Sekundärwicklung
versehenen Eisenproben Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßverfahren an Eisenproben,
die in der iiblichen Weise von einem Wechselstrom magnetisiert werden und, um von
dem durch den Strom in der Magnetisierungswicklung erzeugten Spannungsabfall unabhängig
zu werden, mit einer besonderen Sekundärwicklung versehen sind, in der eine EMIÇ
induziert wird, die ein Maß für die Maximalindulçtion des Flusses im Eisen ist.
Man kann dann die zugehörigen Eisenverluste in an sich bekannter Weise mittels eines
Wattmeters bestimmen. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß die Probe dadurch
im allgemeinen in unzuverlässigem Maße belastet wird, da die Spannung für die betreffende
Wattmeterwicklung von der Sekundärwicklung der Probe geliefert werden muß. Die Meßergebnisse
müßten deshalb besonders berichtigt werden.
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Dieser Nachteil kann in an sich bekannter Weise durch die Verwendung
von Gleichstrominstrumenten beseitigt werden, die an einen gesteuerten Gleichrichter
angeschlossen sind. Dabei geht man so vor, daß man einerseits die Spannung U an
der Sekundärwicklung der Probe und andererseits nach einem besonderen Verfahren
den Betrag J cos bestimmt, wo J die Magnetisierungsstromstärke und ? die Phasenverschiebung
des Magnetisierungsstromes gegenüber der Sekundärspannung U ist, und dann durch
Multiplikation der Ablesungen einen den Eisenverlusten entsprechenden Wert U J-
cos q7 erhält.
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Dieses bekannte Verfahren hat aber den Nachteil, daß die Genauigkeit
der dabei erforderlichen Einstellung des Schaltvektors der Steuerung des Gleichrichters
in die Messung eingeht, was besonders bei hohen Induktionen bzw. bei großer Phasenverschiebung
g erhebliche Schwierigkeiten macht. Außerdem sind zum Erfassen der Grundwelle besondere
Schaltmaßnahmen
erforderlich, die nur bei mäßigen Verzerrungen. der Stromkurve einwandfreie Messungen
ergeben. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß Schwankungen der Speisespannung
auch entsprechende Schwankungen der Größe 1 cos 92 mit sich bringen, so daß die
Speisespannung sehr genau konstant gehalten werden muß.
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Alle diese Nachteile werden bei dem neuen Verfahren unter Benutzung
einer komplexen Kompensation mit einem grundwellenselektiven, phasenempfindlichen
Nullindikator gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß zum Zwecke der Verlustmessung
der Wirkleitwert IIR eines Widerstandes R gemessen wird, der sich in einem für die
Grundwelle gültigen Ersatzschema der Probe als Parallelwiderstand zu der zugehörigen
Induktivität w L darstellt, und das Produlrt U lIR gebildet wird, das ebenfalls
den Eisenverlusten entspricht.
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Es sind bereits Meßverfahren dieser Art bekanntgeworden, bei denen
mit einem komplexen Kompensator gearbeitet wird. Dabei wurde aber der Fehler gemacht,
daß als Ersatzschaltbild für die Eisenprobe die Reihenschaltung einer Induktivität
und eines Ohmschen Widerstandes der Messung zugrundegelegt wurde. Dadurch ergeben
sich insofern Schwierigkeiten, als der Magnetisierungsstrom bei hohen Induktionen
sehr erheblich mit der Speisespannung schwankt und man die Spannung daher auch in
diesem Falle sehr genau konstant halten muß.
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Wenn man jedoch gemäß der Erfindung der Messung das richtige Ersatzschaltbild
einer Parallelschaltung von Induktivität w L und Ohmschen Widerstand R zugrunde
legt, so hat es sich gezeigt, daß der Wirkleitwert I/R sich bei Schwankungen der
Speisespannung nur sehr wenig ändert, so daß genaue Messungen auch bei erheblichen
Spannungsschwankungen möglich sind. Andererseits schwankt w L erheblich mit der
Spannung, und der Nullindikator wird nun in der üblichen Weise in seiner Phasenlage
so eingestellt, daß die Komponente w L bei der Messung des Wirkleitwertes I/R keinen
Einfluß auf die Anzeige hat. Bei der Kompensation entspricht dann das eine Abgleichmittel
dem Wirkleitwert I/R und das andere dem zugehörigen Blindleitwert ijw L. Man kann
deshalb gegebenenfalls aus diesen beiden Werten auch den sogenannten Eisenwinkel
92 mit Hilfe der bekannten Gleichung tg cvL: i!w L: IIR ermitteln, der in manchen
Fällen von Interesse ist, besonders wenn das betreffende Eisen für Meßwandler bestimmt
ist.
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Bei dem Aufbau der Meßschaltung kann man entweder von einer Spannungs-
oder von einer Stromkompensation Gebrauch machen.
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Im erstgenannten Fall wird eine von dem Magnetisierungsstrom J abgeleitete
Spannung gegen eine von der Sekundärspannung U der Probe abgeleitete Spannung kompensiert.
Bei Benutzung einer Stromliompensation wird dagegen ein von dem Magnetisierungsstrom
J abgeleiteter Strom gegen einen von der Sekundärspannung U der Probe abgeleiteten
Strom kompensiert.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele von Einrichtungen
zum Ausüben des Verfahrens gemäß der Erfindung in Schaltbildern dargestellt, und
zwar werden bei den in den Fig. I bis 3 dargestellten Schaltungen Spannungskompensationen
und bei den in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Schalt tungen Stromkompensationen
benutzt.
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In allen Fällen ist eine ringförmig gestaltete Eisenprobe 1 angenommen,
die in der üblichen Weise mit einer von dem Magnetisierungsstrom J durchflossenen
Primärspule 2 und einer Sekundärspule 3 versehen ist. Als Nullindikator ist der
Einfachheit halber ein Vibrationsgalvanometer 4 angedeutet, jedoch kann auch jeder
beliebige andere grundwellenselektive und phasenabhängige Nullindikator benutzt
werden, wie er bei komplexen Kompensatoren üblich ist, z. B. ein in an sich bekannter
Weise mit Hilfe von gesteuerten Gleichrichtern phasenabhängig arbeiten des Gleichstrommeßgerät,
wobei zum Absperren der Oberwellen ein Tiefpaß vorgeschaltet werden kann. Man kann
aber auch in an sich bekannter Weise zwei als sogenannte Nullmotoren wirkende Induktionszählermeßwerke
als grundwellenselektive, phasenabhängige Nullindikatoren benutzen.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird einer an
einem von dem Magnetisierungsstrom J durchflossenen Ohmschen Widerstand 5 abgenommenen
Spannung Uj über den Indikator4 eine Spannung UK entgegengeschaltet, die von einem
an sich bekannten komplexen Kompensator 6 er zeugt wird, der an die Sekundärwicklung
3 der Probe angeschlossen ist. Dabei besteht der Kompensator 6 z. B. aus einer Reihenschaltung
von zwei Drosselspulen 7, 8 und zwei Ohmschen Widerständen 9, I0, die mit entsprechenden
Abgriffkontakten II bzw. 12 versehen sind. Der Reihenschaltung von 10 und 8 ist
ein Kondensator I3 derart parallel geschaltet, daß der in der Reihenschaltung von
7 und 9 fließende Strom 3 in Phase mit der Sekundärspannung U und der in der Reihenschaltung
von Io und 8 fließende Strom 12 um go0 in der Phase gegenüber der Sekundärspannung
U verschoben ist.
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Wenn man nun die Abgriffe II und 12 50 verschiebt, daß der Strom
im Nullindikator 4 verschwindet, so wird der Wirkleitwert I;R
der
Probe durch die mittels des Abgriffs II eingestellte Wirkkomponente und der Blindleitwert
Ileo L durch die mittels eines Abgriffs 12 eingestellte Blindkomponente abgebildet.
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Wenn vorher in an sich bekannter Weise die Sekundärspannung U gemessen
worden ist, so erhält man dann die Eisenverluste aus dem Produkte U2 iJR und gegebenenfalls
den Eisenwinkel nach der Gleichung tg 92 Itü) L : I(R. Bei dieser Schaltung müssen
allerdings an die Genauigkeit des Spannungskompensators 6 verhältnismäßig hohe Anforderungen
gestellt werden, und bei. hohen Induktionen können infolge der Frequenzabhängigkeit
unzulässig große Meßfehler entstehen.
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In Fig. 2 ist eine Schaltung dargestellt, bei der der Sekundärspannung
U der Probe über den Indikator 4 die Spannung U an einer durch einen veränderten
Widerstand 15 belasteten regelbaren Induktivität I6 entgegengeschaltet ist. Bei
stromlosem Indikator 4 wird dann der Blindleitwert IluL der Probe durch die entsprechend
eingestellte Induktivitäte6 und der Wirkleitwert I/R durch den entsprechend eingestellten
Widerstand 15 abgebildet. Diese Anordnung hat den Vorzug, daß die Messung grundsätzlich
frequenzunabhängig ist, da die Induktivität 16 mit dem Parallelwiderstand 15 ein
genaues Abbild der Eisenprobe darstellt. Andererseits geht hier aber der Kupferwiderstand
der Wicklung 15 in die Messung ein.
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Dieser Fehler wird vermieden durch die in Fig. 3 dargestellte Anordnung,
und zwar durch die Verwendung einer Gegeninduktivität mit einstellbarem Eisenschluß
I7, deren Primärwicklung i8 von dem Magnetisierungsstrom J oder einem diesem entsprechenden
Strom durchflossen wird und die eine Hilfswicklung 19 sowie eine Sekundärwicklung
20 trägt. Dabei ist die Hilfswicklung 19 durch einen veränderbaren Widerstand 21
geschlossen, und die Spannung U3 an der Sekundärwicklung 20 wird der Sekundärspannung
U der Probe über den Indikator 4 entgegengeschaltet. Mit der Magnetisierungslwicklung2
der Probe ist die regelbare Primärwicklung 22 eines Stromwandlers 23 in Reihe geschaltet.
An die Sekundärwicklung2+ des Stromwandlers ist die Primärwicklung 18 der Gegeninduktivität
angeschlossen, derenEisenkern I7 mit einem Luftspalt versehen ist, in den einen
Eisenkern 25 mehr oder weniger tief eingeschoben werden kann, um den Eisenschluß
zu regeln.
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Der regelbare Stromwandler 23 dient dabei gewissermaßen zum Einstellen
des Meßbereiches. Im übrigen wird der Blindleitwert IloL L der Probe durch die Einstellung
des Eisenkerns 25 und der Wirkleitwert I/R durch den Widerstand 21 abgebildet. Dabei
ist der die Primärwicklung I8 durchfließende Sekundärstrom des Stromwandlers 23
dem Magnetis ierungsstrom J proportional, und der Kupferwiderstand der Primärwicklung
18 geht nicht in die Messung ein. Andererseits ist es erforderlich, zum Aufbau der
Eisenkerne I7 und 25 möglichst verlustarmen magnetischen Werkstoff zu benutzen,
weil die entsprechenden Eisenverluste sich beim Einschieben des Kerns 25 ändern
und daher nicht genau ausgeglichen werden können.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung findet eine Überlagerung
zweier Ströme über den Indikator 4 statt, wobei der eine Strom mit der Sekundärspannung
U der Probe in Phase liegt und der andere an einem von dem Magnetisierungsstrom
J durchflossenen Ohm schen Widerstand 26 abgezweigt und über die Reihenschaltung
eines regelbaren Ohmschen Widerstandes 27 und einer regelbaren Kapazität 28 geschlossen
ist. Um einen Strom zu erzeugen, der mit der Sekundärspannung U in Phase ist, ist
die Sekundärwicklung 3 über einen Ohmschen Widerstand 29 geschlossen.
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Dann wird der BlindleitwertIlwL der Probe durch die Kapazität 28
und der Wirkleitwert IJR durch den Widerstand 27 abgebildet. Dabei ist allerdings
zu beachten, daß der Betrag des Widerstandes 26 um so kleiner gehalten werden muß,
je höher die Induktion des Flusses in der Probe ist, damit die Sekundärspannung
U sinusförmig bleibt.
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Eine genügende Meßempfindlichkeit ließe sich dann bei höheren Induktionen
aber nur durch eine entsprechend große verlustfreie Kapazität 27 erreichen, was
praktisch nicht möglich ist. Die Anordnung nach Fig. 4 ist daher vorwiegend für
niedrige Induktionen geeignet.
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Diese Beschränkung wird bei den in den Fig. 5 und 6 dargestellten
Anordnungen grundsätzlich dadurch vermieden, daß statt einer regelbaren Kapazität
eine regelbare Induktivität 30 benutzt wird. Man kann dann diese Induktivität ohne
Schwierigkeiten so bemessen, daß man bei kleinem primärem Verbrauch in jedem Falle
eine genügende Meßempfindlichkeit erhält.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten Schaltung werden zwei Ströme überlagert,
von denen der eine der Sekundärspannung U der Probe um nahezu go0 nacheilt und der
andere an einem von dem Magnetisierungsstrom J durchflossenen, nahezu induktionsfreien
Widerstand abgezweigt und über die Reihen schaltung der regelbaren Induktivität
30 und eines regelbaren Ohmschen Widerstandes 31 geschlossen ist. In diesem Falle
wird der Blindleitwert 1/co L der Probe durch den Widerstand 3I und der Wifideitwert
IJR durch die Induktivität 30 abgebildet. Dies hat
den besonderen
Vorteil, daß im Verlauf der Messung bei verschiedenen Werten der Magnetisierung
die Induktivität 30 nicht so stark verändert zu werden braucht, wogegen die erforderliche
Änderung des Widerstandes 31 keine Schwierigkeiten macht.
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Um einen Strom zu erzeugen, der um genau 90° gegenüber der Sekundärspannung
u nacheilt, wäre eine verlustlose Drosselspule erforderlich. Da dies nicht möglich
ist, müssen für genaue Messungen die Verluste der betreffenden Drosselspule, die
in Fig. 5 mit 32 bezeichnet ist, durch eine entsprechende Bemessung des von dem
Magnetisierungsstrom J durchflossenen Widerstandes ausgeglichen werden. Dies kann
dadurch erfolgen, daß dieser aus der Reihenschaltung eines Ohmschen Widerstandes
33 und einer Hilfsinduktivität 34 besteht, wobei diese entsprechend bemessen wird.
Diese Anordnung hat allerdings noch den Nachteil, daß der Ausgleich durch Temperaturänderungen
gestört werden kann.
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Eine solche Temperaturabhängigkeit wird bei der in Fig. 6 dargestellten
Anordnung vermieden. Hier findet eine Überlagerung zweier Ströme statt, von denen
der eine mit der Sekundärspannung U der Probe annähernd in Phase liegt und der andere
von der Sekundärwicklung einer verlustarmen Gegeninduktivität 35 abgezweigt und
über die Reihenschaltung einer regelbaren Induktivität 36 und eines regelbaren Ohmschen
Widerstandes 37 geschlossen ist. Zu diesem Zweck ist z. B. ein mit einem Luftspalt
versehener Eisenkern 35 mit einer von dem Magnetisierungsstrom J durchflossenen
Primärwicklung 38 und einer Sekundärwicklung 39 versehen.
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Auch hier wird der Blindleitwert I1wL der Probe durch den Widerstand
37 und der Wirkleitwert I/R durch die Induktivität 36 abgebildet.
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In diesem Falle würde der Eisenverlust der Gegeninduktivität 35 einen
Meßfehler verursachen, der aber durch eine geeignete Bemessung des Widerstandes
ausgeglichen werden kann der von dem an die Sekundärspannung U angeschlossenen Strom
durchflossen wird. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise die Reihenschaltung eines Ohmschen
Widerstandes 40 und einer entsprechend bemessenen Hilfsinduktivität 3I benutzt.