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Verfahren und Vorrichtung zum Prüfen von Messwandlern
Gegenstand dieser Erfindung ist ein besonders genaues und von der Frequenz völlig unabhängiges
Verfahren für die Bestimmung der Fehler von Strom- und Spannungswandlern. Es ist üblich. die bekann- ten Prüfmethoden für Messwandler in zwei grosse Gruppen einzuteilen. Zur ersten gehören jene Methoden, bei denen die Fehler durch von den Primär- und Sekundärströmen hervorgerufene Spannungsabfälle mittels bekannter Widerstände und Reaktanzen durch Wechselstromkompensatoren bestimmt werden. Die- se können auch absolute oder direkte Methoden genannt werden. In der zweiten Gruppe wird der zu prü- fende Wandler mit einem Normalwandler gleicher Art und mit bekannten Fehlern meist mittels eines Wechselstromkompensators verglichen.
Diese sind die sogenannten relativen oder Vergleichsmethoden.
Der Stand der Technik ist auf diesem Gebiet besonders hinsichtlich der Stromwandlerprüfung sehr umfangreich. Neuere Veröffentlichungen haben beide Gruppen von Prüfverfahren erweitert. Bei allen bekannten Prüfverfahren bzw. -vorrichtungen sind jedoch Normalwandler und Wechselstromkompensa- toren oder Normalwandler und elektrodynamische Instrumente erforderlich.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich in keine der beiden Gruppen einreihen. Es wird auch kein
Normalstromwandler verwendet, sondern bei der Stromwandlerprüfung nur ein Hilfsstromwandler, der als
Differenzstromwandler arbeitet. Zur Messung dient weder ein Wechselstromkompensator noch ein elek- trodynamisches Instrument, sondern ein einfacher Spannungsmesser.
Die Verwendung eines Differenzstromwandlers bei der Stromwandlerprüfung ist jedoch an sich kein neuer Gedanke. So ist z. B. gemäss der deutschen Patentschrift Nr. 1061433 ein Differenzstromwandler vorgesehen, um die zwischen den Primär- und Sekundärgrössen des Normalwandlers gewonnene Hilfs- spannung zur Verminderung des Fehlers des Normalwandlers zu gebrauchen.
Nach allen bekannten Methoden kann man nur bei einer bestimmten Frequenz oder in einem be- schränkten Frequenzbereich die Wandlerfehler messen.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum frequenzunabhängigen Prüfen von Messwandlern, bei dem die
Differenz zwischen der Sekundärgrösse und reduzierten Primärgrösse durch einen Hilfswandler gebildet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die dem komplexen Fehler proportionale Spannung mittels eines Spannungsmessers mit einer der Primär- oder Sekundärgrösse proportionalen Spannung verglichen wird, dass diese zwei Werte durch ein Potentiometer nach Betrag einander gleich geregelt werden, dann deren vektorielle Differenz oder ein Teil der vektoriellen Summe mit einer der vorigen Spannungen verglichen and diese Spannung durch ein weiteres Potentiometer dem vektoriellen Resultat gleich geregelt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren hat gegenüber den bekannten Verfahren folgende Vorteile :
Es ist völlig frequenzunabhängig. Ohne irgendeine Umschaltung kann es unmittelbar bei sämtlichen Frequenzen verwendet werden, für welche Messwandler ausfuhrbar sind. Die Fehler werden ohne Umschaltung an denselben Skalen abgelesen.
Die Messgenauigkeit ist aussergewöhnlich hoch. Bei der Stromwandlerprüfung wirkt sich ein Fehler des als Hilfsstromwandler verwendeten Differenzstromwandlers nur im Differenzstrom (Fehlerstrom) aus und bleibt so von zweiter Ordnung im Messergebnis. Messwandler mit sehr kleinen Fehlern (z. B. Klasse 0. 01) lassen sich ebenfalls prüfen.
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Das Verfahren braucht kein Wechselstromnullinstrument. Die Fehler und Unsicherheiten des Nullab- gleiches fallen also weg.
Die Messung geht schnell im Vergleich zu den Wechselstromkompensationsmethoden, da hier an je- dem Potentiometer nur eine Regeloperation auszuführen ist und kein stufenweiser Abgleich.
Das Verfahren ist einfach überblickbar. Vorteilhaft ist auch, dass diese Methode unmittelbar sowohl die Differenz der Primär- und Sekundärgrösse, also den komplexen Fehler, als auch den Übersetzungs- fehler sowie den Fehlwinkel ergibt.
Bei der Vorrichtung zur Stromwandlerprüfung gemäss der Erfindung wird der Fehlerstrom des zu prüfenden Stromwandlers ohne Normalstromwandler mittels eines Stromwandlers mit drei oder vier Wicklungen erzeugt. Die relative Grösse und die Phasenlage des Fehlerstromes oder des komplexen
Fehlers wird ohne Kompensator und Nullinstrument mit Hilfe eines umschaltbaren Voltmeters und zweier
Potentiometer ermittelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Grundschaltung dadurch erweitert, dass man neben dem
Absolutwert und der Phasenlage des komplexen Fehlers an zwei Voltmetern den Übersetzungsfehler bzw. den Fehlwinkel direkt ablesen kann.
Bei einer erfindungsgemässen Einrichtung zur Prüfung von Spannungswandlern ist zur Herstellung des komplexen Fehlers ein Hilfsstromwandler vorgesehen. Die Bestimmung der Fehler geschieht genau so wie bei den Stromwandlern mittels eines umschaltbaren Voltmeters und zweier Potentiometer.
Nachfolgend wird nun die Erfindung an Hand beispielsweiser, in den Zeichnungen dargestellter Aus- führungsformen näher erläutert. Es zeigen : die Fig. l und 2 Vektordiagramme zur Stromwandlerprüfungl
Fig. 3 eine diesbezügliche Einrichtung gemäss der Erfindung, die Fig. 4-7 weitere Ausgestaltungen der
Einrichtung zur Stromwandlerprüfung, Fig. 8 eine erfindungsgemässe Einrichtung zur Spannungswandler- prüfung und Fig. 9 Vektordiagramme hiezu.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren werden Stromwandlerfehler z. B. mit der in Fig. 3 gezeig- ten Einrichtung bestimmt. Dabei ist X der zu prüfende Stromwandler, l der Hilfsstromwandler, der
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wo R4 wesentlich grösser als R2 sein muss, so das R keinen wesentlichen Einfluss auf den Abgriff am Potentiometer 2 hat. Der Stromwandler X ist primär- und sekundärseitig mit dem Hilfsstromwandler 1 in Serie geschaltet.
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wandlers X proportionaler Strom. Der Hilfsstromwandler kann auch wie ein gewöhnlicher Stromwandler betrachtet werden, bei dem-vom Fehlerstrom abgesehen-die Primärerregung Ni -1Nz der Sekundärerregung 1 das Gleichgewicht hält.
Bei der Prüfung des Stromwandlers X wird nun in folgender Weise vorgegangen. Der vom Strom 10 am Widerstand Ro hervorgerufene Spannungsabfall (gemessen zwischen den Punkten a-c ; Messung l) wird mit dem, am Widerstand R vom Strom hervorgerufenen Spannungsabfall (abgenommen an den Punkten b-c) mit Hilfe eines Spannungsmessers verglichen (Messung 2). Der zuletzt genannte Spannungsabfall wird dann durch die Änderung des Abgriffs R2 am Potentiometer 2 so weit geregelt, bis er mit IoRo dem Betrag nach gleich wird.
In Fig. 3 ist die Anschaltung des Voltmeters durch gestrichelte Linien angedeutet, wobei die Ziffern in den Kreisen die Reihenfolge bezeichnen. In der ersten Voltmeterstellung (a-c) misst man also den Spannungsabfall IoRo inderzweitenStellung , denn R40 ist wesentlich grösser als R. In der dritten Voltmeterstellung liest man die Spannungsdifferenz #U=T2R2-InR und in der vierten Stellung den dem Betrag nach gleichgross einregulierten Spannungsabfall am Widerstand 4 ab.
Zweckmässigerweise besitzt das Voltmeter einen Drehknopf, mit welchem der Ausschlag des Instrumentenzeigers bei der ersten Ablesung auf einen Teilstrich der Skala einstellbar ist. Statt des umschaltbaren Voltmeters können ein oder zwei Doppelvoltmeter angewendet werden. Die Abgriffe der Potentiometer können auch automatisch geregelt werden.
Gemäss dem vorhergehenden ist :
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ist. Das ist der Absolutwert des komplexen Fehlers des Stromwandlers, welcher die physikalische Ursache der Wandlerfehler ist.
Es ist bekannt und aus dem Vektorbild in Fig. 1 unmittelbar ersichtlich, dass der Übersetzungsfehler des Stromwandlers
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ist, annähernd also
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Die Stromkreise von 10 und I2 sind im Punkt c verbunden und darum misst man mit einem Voltmeter zwischen den Punkten a und b den Spannungsabfall der Differenz -IR = AU (Fig. 2) (Messung 3).
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Die Skala des Potentiometers 4 kann unmittelbar sin cpô und cos ## anzeigen.
Gemäss den obigen Ausführungen besteht das Wesentliche bei dem Verfahren also darin, zweimal zwei Spannungen nach Betrag gleichzuregeln. Zuerst liest man das Voltmeter an den Klemmen a-c ab, dann soll der Voltmeterausschlag an den Klemmen b-c gleich gross reguliert werden. Hierauf schaltet man das Voltmeter an die Klemmen a-b um, liest ab, schaltet an die Klemmen b-f um und reguliert hier, bis der Ausschlag mit dem vorigen übereinstimmt.
Das Messverfahren ist völlig frequenzunabhängig, da die Schaltungen keine frequenzabhängigen Schaltelemente, sondern nur Widerstände und frequenzunabhängige Spannungsmesser enthalten. Die absolute Genauigkeit des Voltmeters spielt keine Rolle, weil es nur zum Vergleich von zwei dem Betrag nach gleichen Spannungen verwendet wird.
Das Verfahren kann so weiterentwickelt werden, dass sowohl der Übersetzungsfehler als auch der Fehlwinkel mit Zeigerinstrumenten angezeigt wird (Fig. 4). Die einzelnen Schaltelemente stimmen mit jenen in Fig. 3 überein. Die Potentiometer 5 und 6 bzw. 5 und 7 sind in Analog-Multiplikatorschaltung geschaltet. Mit f und 5 sind Zeigerinstrumente bezeichnet. Der Schleifer des Potentiometers 2 ist mit jenem des von einer stabilisierten Spannung gespeisten Potentiometers 5 zwangs-
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Da die Lage des Potentiometers 4 vom Phasenwinkel abhängt, entspricht die Stellung des Potentiometers 6 bei geeigneter Bemessung cos o, jene des Potentiometers 7 sin ## und durch die
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also auf den Übersetzungsfehler bzw. Fehlwinkel kalibriert werden.
Das Vorzeichen des Fehlwinkels # ist gleich jenem von 5 und dessen Bestimmung geschieht z. B. folgendermassen : mit dem Widerstand Ro wird eine veränderliche Kapazität oder Induktivität parallel geschaltet und verändert, während man die Spannungsabfalländerung zwischen den Punkten a-b beobachtet. Beim positiven Fehlwinkel wird der Spannungsabfall mit Vergrösserung der Kapazität wachsen.
Im Falle AU > I2R2 (q ; ö > 600) wird das Voltmeter nicht unmittelbar an die Klemmen a-b geschaltet, sondern gemäss Fig. 5 über einen Spannungsteiler (z. B. 2 : 1). Der an den Klemmen b-d erhaltene Spannungsabfall ist schon am Potentiometer 4 abgreifbar.
In denmeisten Fällen kann der Hilfsstromwandler ein einfacher Dreiwicklungsstromwandler sein, und dessen Magnetisierungsstrom spielt nur eine Rolle von zweiter Ordnung. Bei der Prüfung von Stromwandlern mit extrem kleinen Fehlern empfiehlt es sich, den Magnetisierungsstrom des Hilfswandlers zu beseitigen. Das kann durch eine äussere Wechselstromquelle geschehen, welche in den Tertiärkreis des Hilfswandlers eingeschaltet und so geregelt wird, dass die in die Wicklungen des Hilfswandlers induzierten Spannungen verschwinden. Auf diese Art kann der Fluss des Wandlers 1 völlig aufgehoben werden. Die Erregung der Spule wird mit der resultierenden Erregung der Primär- und Sekundärspule gleich sein und der Wandler funktioniert fehlerfrei.
Der flussfreie Zustand ist auch mit einem Wechselstromnullinstrument festzustellen. In Fig. 6 zeigt eine automatische Lösung, wo die Spannungsquelle im Tertiärkreis durch den Ausgang eines Verstärkers 8 dargestellt ist, dessen Eingangsklemmen an einer vierten Wicklung des Hilfsstromwandlers liegen.
Beim Hilfsstromwandler 1 in den Fig. 3, 4 und 6 muss verhindert werden, dass die Streuflüsse in die Wicklungen Na bzw. N4 Spannungen induzieren können, insbesondere wenn die Primär- und Sekundärerregungen einander gleich sind. Das geschieht dadurch, dass die Primär- und Sekundärwicklungen mittels einer magnetischen Abschirmung von den andern Wicklungen getrennt werden. Bei einem Ringkern ist z. B. die Tertiärwicklung direkt auf den Kern gewickelt und von der aufgeschnittenen magnetischen Abschirmung umgeben (Fig. 7).
Das im vorhergehenden für die Prüfung von Stromwandlern beschriebene Verfahren ist auch für die Prüfung von Spannungswandlern verwendbar. Eine geeignete Schaltungsanordnung hiezu zeigt Fig. 8, wo X der zu prüfende Spannungswandler, 10 der Hilfswandler oder Normalwandler, H ein Spannungsteiler sowie 20 und 40 Potentiometer sind.
Die Grösse und die Phasenlage der Spannungsdifferenz, die auch als komplexer Fehler bezeichnet werden können, werden bei der Spannungswandlerprüfung ebenfalls durch vier Spannungsmessungen bestimmt. Zunächst misst man die Spannungsdifferenz der Sekundärspannungen =U-U (Fig. 8) zwischen den Klemmen a-c. Dann nach Umschalten des Voltmeters auf die Klemmen c-b wird das Potentiometer 20 so lange verstellt, bis die aus U durch eine zweifache Spannungsteilung gebildete Spannung U0 dem Betrag nach mit U gleich ist.
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mit dem Verhältnis r/R kann der Messbereich geändert werden. Der Relativwert der SpannungsH H differenz, d. h. der komplexe Fehler, ist also verhältnisgleich mit dem Teilungsverhältnis r20/R20 des Potentiometers 20.
Zur Bestimmung des Fehlwinkels dient die dritte und die vierte Voltmeterablesung. Die dritte Ablesung geschieht an den Klemmen, a-b, wo die vektorielle Summe der Spannungen U und U ablesbar ist. Gemäss der Prinzipschaltung in Fig. 5 teilt man diese Spannung in die Hälfte und reguliert eine dem Betrag nach gleich grosse Spannung am Potentiometer 40 ein. Die Fig. 5 zeigt, dass der Spannungsmesser dabei an die Klemmen b-d des Spannungsteilers gelegt ist.
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tiometern 20 und 40 abgelesenen Werte.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum frequenzunabhängigen Prüfen von Messwandlern, wobei die Differenz zwischen der Sekundärgrösse und reduzierten Primärgrösse (komplexe Fehler) durch einen Hilfswandler gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die dem komplexen Fehler proportionale Spannung mittels eines Spannungsmessers mit einer der Primär- oder Sekundärgrsse proportionalen Spannung verglichen wird, dass diese zwei Werte durch ein Potentiometer (2) nach Betrag einander gleich geregelt werden, dann deren vektorielle Differenz (Fig. 2) oder ein Teil der vektoriellen Summe (Fig. 9) mit einer der vorigen Spannungen verglichen und diese Spannung durch ein weiteres Potentiometer (4) dem vektoriellen Resultat gleich geregelt wird.