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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prüfen eines
Stromwandlers.
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Stromwandler
werden im Bereich der Energieverteilung und – übertragung und beispielsweise bei
der Energieversorgung schienengeführter Fahrzeuge wie dem Transrapid
eingesetzt. Sie dienen in der Regel zur Überwachung des Stromflusses
in einem Primärstromleiter,
der sich auf einem Hochspannungspotenzial befindet. Der Stromwandler
erzeugt ein dem Stromfluss im Primärstromleiter proportionales
Ausgangssignal im Niederspannungsbereich, das von nachgeschalteten
Schaltgeräten
oder Steuer- und Regelungseinheiten verarbeitet werden kann.
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Um
den Ausfall eines Stromwandlers erkennen zu können, muss die fehlerfreie
Funktion des Stromwandlers in der Regel zyklisch überprüft werden.
Solche Überprüfungen sind
insbesondere dann notwendig, wenn der Stromwandler Teil einer Einrichtung
ist, für
die hohe Sicherheitsanforderungen gelten. Zur Durchführung eines
Funktionstestes wird gemäß dem Stand
der Technik ein Stromwandler bereitgestellt, der eine zusätzliche
Testwicklung aufweist. Die Testwicklung ist auf einem Kern des Stromwandlers
aufgebracht, an dem auch die Sekundärwicklung des Stromwandlers
vorgesehen ist. Als Primärwicklung
des Stromwandlers dient in der Regel ein über den Kern mit der Sekundärwicklung
zusammen wirkender Leiter, der auch als Wicklung mit der Windungszahl 1 betrachtet
werden kann. Die Testwicklung weist hingegen in der Regel mehrere
tausend Windungen auf, so dass mit einem kleinen Teststrom ein großer Primärstrom simuliert
werden kann. Die Testwicklung ist übli cherweise in einem Isolierkörper des
Stromwandlers eingegossen. Sie verteuert den Stromwandler erheblich.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung und ein Verfahren der
eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen ein Prüfen herkömmlicher
und kostengünstiger
Stromwandler ermöglicht ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe gemäß einer
ersten Variante durch eine Vorrichtung zum Prüfen eines Stromwandlers mit
einem Teststromleiter und einer Testimpulsschaltung, die einen Energiespeicher,
Auflademittel zum Aufladen des Energiespeichers und ein Schaltelement
zum Entladen des Energiespeichers über den Teststromleiter aufweist, so
dass ein Entladungsstrom in dem Teststromleiter erzeugbar ist, wobei
eine Auswerteeinheit zum Erfassen eines durch den Entladungsstrom
hervorgerufenen Stromwandlersignals vorgesehen ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe gemäß einer
zweiten Variante durch ein Verfahren zum Prüfen eines Stromwandlers, bei
dem ein Teststromleiter wenigstens einmal durch den Stromwandler
geführt und
anschließend
die Ausgänge
einer Testimpulsschaltung mittels des Teststromleiters miteinander verbunden
werden, ein Energiespeicher aufgeladen wird, anschließend ein
Schaltelement zum Entladen des Energiespeichers unter Erzeugung
eines über den
Teststromleiter fließenden
Entladungsstromes betätigt
und das in Folge des Entladungsstromes vom Stromwandler erzeugte
Stromwandlersignal gemessen wird.
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Erfindungsgemäß sind eine
Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt, mit denen die Überprüfung der
Funktionstüchtigkeit
von Stromwandlern ermöglicht
ist, die keine aufwändige
Testwicklung aufweisen und die daher kostengünstig sind. Ferner ist erfindungsgemäß auch die
Funktionsprüfung
von bereits fest installierten Stromwandlern möglich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst eine Testimpulsschaltung, deren Ausgang oder deren Ausgänge durch
einen ggf. auswählbaren
Teststromleiter kurzgeschlossen sind. Dabei umfasst die Testimpulsschaltung
einen Energiespeicher und ein Schaltelement. Durch Betätigen des
Schaltelements kommt es zu einer Entladung des Energiespeichers
mit einem hohen Entladungsstrom im Teststromleiter im Gefolge. Dabei
ist die in dem Energiespeicher geladene Energie erfindungsgemäß ausreichend,
einen so hohen Entladungsstrom zu erzeugen, dass der Sekundärstrom am
Ausgang des zu überprüfenden Stromwandlers
von der eingesetzten Auswerteeinheit erfassbar ist. Bei der Auswerteeinheit
handelt es sich beispielsweise um eine auch im Normalbetrieb mit dem
Stromwandler verbundene Auswerteeinheit. Abweichend hiervon ist
die Auswerteeinheit eine bei der Prüfung des Stromwandlers an dem
Ausgang extra anzuschließende
Auswerteeinheit. Der Energiespeicher kann beispielsweise auch induktiv
mit dem Teststromleiter gekoppelt sein. Wesentlich im Rahmen der
Erfindung ist, dass durch die Entladung des Energiespeichers ein
hoher Strom im Teststromleiter erzeugt wird.
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Der
Energiespeicher ist beispielsweise eine Spule. Die Spule kann in
einem Kurschlusskreis angeordnet sein, in dem darüber hinaus
das Schaltelement und die Auflademittel angeordnet sind. Der Teststromleiter
ist parallel zur Spule angeordnet. Ist das Schaltelement in seiner
Kontaktstellung, in der ein Stromfluss über das Schaltelement ermöglicht ist, fließt ein von
den Auflademitteln erzeugter Ladestrom im Kurzschlusskreis. Die
Impedanz des parallel zur Spule angeschlossenen Teststromleiters
ist so hoch, dass der über
den Teststromleiter fließende Strom
vernachlässigt
werden kann. Durch Auslösen eines
Schaltvorganges öffnet
sich das Schaltelement. Der Stromfluss im Kurzschlusskreis ist unterbrochen.
Dabei kommt es zur Entladung der Spule über den Teststromleiter mit
einem hohen Entladungsstrom im Gefolge.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung ist der Energiespeicher
ein Kondensator, wobei das Schaltelement in Reihe zum Kondensator
geschaltet ist. Befindet sich das Schaltelement in seiner Trennstellung,
kommt es durch die Auflademittel zur Aufladung des Kondensators.
Die am Kondensator abfallende Spannung wird Ladespannung genannt.
Durch Auslösen
eines Schaltvorganges wird eine Entladung des Kondensators über das
Schaltelement und schließlich über den
ausgewählten
Teststromleiter ermöglicht.
Der Kondensator weist zweckmäßigerweise
eine Kapazität
auf, die in Abhängigkeit
der durch die Auflademittel erzielbaren Ladespannung des Kondensators
ausreichend ist, einen so hohen Entladungsstrom zu erzeugen, dass dieser
am Ausgang des Stromwandlers einen erfassbaren Sekundärstrom erzeugt.
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Zweckmäßigerweise
ist das Schaltelement ein Halbleiterschalter, der von einer Sperrstellung,
in der ein Stromfluss über
den Leistungshalbleiter ermöglicht
ist, in eine Durchgangsstellung überführbar ist,
in der ein Stromfluss über
den Leistungshalbleiter unterbrochen ist. Schaltbare Leistungshalbleiter
sind beispielsweise Thyristoren, IGBTs oder dergleichen. Halbleiterschalter
ermöglichen
ein im Vergleich zu mechanischen Schaltern schnelles Schalten. Ein
unerwünschter
Einfluss des Schaltvorganges auf die Pulsform des Entladungsstromes
kann auf diese Weise vermieden werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterentwicklung sind mindestens zwei parallel zueinander
angeordnete Teststromleiter und ein Relais vorgesehen, das zum Verbinden
eines der Teststromleiter mit dem Ausgang Testimpulsschaltung eingerichtet
ist. Auf diese Weise können
mehrere Stromwandler mit einer gemeinsamen Testimpulsschaltung getestet
werden. Abweichend hiervon sind mehrere Thyristoren vorgesehen,
die jeweils einem Teststromleiter zugeordnet sind. Durch Zünden eines
bestimmten Thyristors ist somit der zu testende Stromwandler auswählbar.
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Abweichend
hiervon sind mindestens zwei in Reihe zueinander angeordnete Teststromleiter
vorgesehen. Auf diese Weise können
mehrer Stromwandler gleichzeitig getestet werden. Selbstverständlich sind
beliebige Kombinationen von parallel zueinander angeordneten und
in Reihe zueinander angeordneten Teststromleitern im Rahmen der
Erfindung möglich.
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Der
Teststromleiter ist beispielsweise fest in dem Stromwandler integriert,
wobei er jedoch eine nur begrenzte Anzahl von Windungen aufweist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterentwicklung der ersten Variante ist der Teststromleiter
jedoch biegeelastisch. Aufgrund der biegeelastischen Ausgestaltung
des Teststromleiters kann dieser auf besonders einfache Weise nachträglich an
dem Stromwandler angebracht werden. Weist der Stromwandler beispielsweise
einen geschlossen umlaufenden Ringkern auf, wird der Testleiter
beispielsweise von Hand durch den Ringkern geführt. Der Teststromleiter ist
dann parallel zum Primärleiter
geschaltet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das erfindungsgemäße Verfahren
sind sowohl für
induktiv arbeitende Stromwandler als auch für Stromwandler geeignet, die
auf dem so genannten Halleffekt basieren.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß der ersten Variante der Erfindung
umfasst die Testimpulsschaltung eine Begrenzungsinduktivität in Reihenschaltung
zum Energie speicher. Die Begrenzungsinduktivität begrenzt den Entladungsstrom
auf ein bestimmtes Maß,
so dass die Höhe
des Entladungsstromes bei der Auslegung der Testimpulsschaltung
genauer festlegbar ist.
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Vorteilhafterweise
weist die Testimpulsschaltung Regelungsmittel zum Einstellen der
Ladespannung des Energiespeichers auf. Die Regelungsmittel ermöglichen
beispielsweise ein Einstellen der Ladespannung des Kondensators
in Abhängigkeit
der Länge
des Teststromleiters. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein,
wenn die Testimpulsschaltung mit mehreren Teststromleitern verbunden
ist, die jeweils durch einen zugeordneten Stromwandler geführt sind.
In diesem Fall weist die Testimpulsschaltung ein zusätzliches
Relais auf, mit dem der Teststromleiter auswählbar ist, der in Folge des
Schaltens den Entladungsstrom führt.
Das Relais schaltet mit anderen Worten den jeweils ausgewählten Teststromleiter
parallel zur Reihenschaltung aus Kondensator und Leistungshalbleiter.
Die Regelungsmittel können
jedoch auch die Höhe
eines über
eine Spule als Energiespeicher fließenden Stromes einstellen. In
diesem Zusammenhang sei auf die obigen Ausführungen zur Spule verwiesen.
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Die
Testimpulsschaltung ermöglicht
weiterhin das Aufprägen
einer bestimmten Kurvenform auf den Entladungsstrom.
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Gemäß einer
diesbezüglich
zweckmäßigen Weiterentwicklung
umfassen die Regelungsmittel einen in Reihe zum Energiespeicher
angeordneten Shuntwiderstand zum Messen der Kurvenform eines über den
Shuntwiderstand fließenden
Entladungsstromes. Bei dem Shuntwiderstand handelt es sich zweckmäßigerweise
um einen Ohmschen Widerstand. Der Spannungsabfall an diesem Shuntwiderstand
wird gemessen, wobei das erfasste Spannungsignal anschließend in
Stromwerte umgerechnet wird. Der Vergleich der Kurvenform des am
Ausgang des Stromwandlers erfassten Sekundärstromes mit der Kurvenform
des aufgeprägten
Entladungsstromes ermöglicht
zusätzliche
Aussagen über
die Funktionstüchtigkeit
des jeweils geprüften
Stromwandlers. Alternativ kann die Kurvenform auch über eine
induktive Kopplung (Übertrager
oder Leiterplattenstrukturen) des erzeugten Entladungsstromes mit
dem Auswertekreis erreicht werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Energiemenge des Energiespeichers geregelt. Im Falle eines
Kondensators regeln die Regelungsmittel die Ladespannung des Kondensators.
Dies ermöglicht sowohl
eine Anpassung der Ladespannung an unterschiedliche Längen des
Teststromleiters, als auch ein Nacheinstellen der Ladespannung in
Abhängigkeit der
Alterung des Kondensators.
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Vorteilhafterweise
wird der Teststromleiter zwischen zwei- und zwanzigmal durch den Stromwandler
gelegt. Das mehrfache Durchführen
des Teststromleiters durch den Stromwandler simuliert bei gleicher
Teststromschaltung einen höheren
Primärstrom
und erweitert daher die Möglichkeiten
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Durch die Regelung der gespeicherten Energie lässt sich natürlich auch die
Höhe des
Teststroms einstellen.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird dem Entladungsstrom eine spezielle Kurvenform aufgeprägt. Der
Vergleich der Kurvenform des eingeprägten Entladungsstromes mit
der Kurvenform des hervorgerufenen Sekundärstromes am Ausgang des Stromwandlers
erweitert die Aussagemöglichkeiten zur
Funktionstüchtigkeit
des jeweiligen Stromwandlers.
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Vorteilhafterweise
wird der Entladungsstrom durch eine Begrenzungsinduktivität begrenzt.
Die Begrenzung des Entladungsstromes ermöglicht ein genaueres Einstellen
des Entladungsstromes in Abhängigkeit
der Auflademittel sowie in Abhängigkeit der
Menge der gespeicherten Energie.
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Die
Auflademittel sind beispielsweise durch ein Schaltnetzteil realisiert.
Solche Schaltnetzteile umfassen zweckmäßigerweise eine Gleichspannungsquelle
in Form einer Batterie oder dergleichen, die mit einer Wicklung
eines Transformators oder Übertrages
verbunden ist. Die Auflademittel weisen beispielsweise ferner in
Reihe zur Wicklung einen Schalter beispielsweise in Form eines Halbleiterschalters
auf, so dass je nach Schaltstellung des besagten Schalters eine
Veränderung
des über
die Primärwicklung
des besagten Kondensators fließenden Gleichstromes
zwischen Null und einem maximalen Gleichstrom erzeugbar ist. Durch
dieses „Zerhacken" des Gleichstromes
wird am Transformator ein Sekundärstrom
erzeugt. Ist der Energiespeicher ein Kondensator wird der so erzeugte
Sekundärstrom
durch eine Diode gleichgerichtet und anschließend zum Aufladen des Kondensators
eingesetzt. Durch das Zerhacken des Gleichstromes mittels des Schalters und
der Rückführung des
Istwerts des Ladezustandes des Energiespeichers auf die Regelungsschaltung
ist weiterhin eine Regelung der in dem Energiespeicher gespeicherten
Energie ermöglicht.
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Die
Realisierung des Energiespeichers ist keineswegs auf Spulen oder
Kondensatoren begrenzt. Grundsätzlich
kommen beliebige Energiespeicher in Betracht, die mittels des Schaltelements ausreichend
schnell entladen werden können.
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Weitere
zweckmäßige Ausgestaltungen
und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen der
Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnungen, wobei gleiche
Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem einmal durch den Stromwandler geführten Teststromleiter,
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit einem zweimal durch einen Stromwandler geführten Teststromleiter und
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3 ein
Ausführungsbeispiel
der Testimpulsschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die einen Teststromleiter 1 aufweist, der parallel zu einem
Primärstromleiter 2 durch
einen Ringkern 3 eines Stromwandlers geführt ist.
Der Stromwandler umfasst neben einem figürlich nicht dargestellten Isolierkörper, eine
Sekundärwicklung 4,
die mit dem Ringkern 3 zusammen fest in dem Isolierkörper eingebettet
ist. Durch Aufprägen
eines ausreichend hohen Teststromes IT ist am
Ausgang des Stromwandlers durch induktive Kopplung zwischen Teststromleiter 1 und
Sekundärwicklung 4 ein
Sekundärstrom
IS erzeugbar, der einer figürlich nicht
dargestellten Auswerteeinheit zugeführt wird. Ist die Höhe des aufgeprägten Entladungsstromes
bekannt, kann beispielsweise die Kalibrierung des Stromwandlers
und somit die Funktionsfähigkeit
des Stromwandlers überprüft werden.
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2 zeigt
einen Teststromleiter 1, der zweimal durch den Ringkern 3 des
Stromwandlers geführt ist.
Dabei ist der Teststromleiter 1 mit der gleichen Testimpulsschaltung
verbunden, wie in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel.
Durch das zweifache Hindurchführen
des Teststromleiters 1 durch den Ringkern 3 wird
somit eine Wicklung mit einer Windungszahl von n gleich 2 bereitgestellt,
mit der ein höherer
Primärstrom
IP simulierbar ist, als in dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Testimpulsschaltung 5, die einen Kondensator 6 sowie
einen schaltbaren Leistungshalbleiter in Form eines Thyristors 7 aufweist.
Der Thyristor 7 ist durch eine in 3 figürlich nicht
dargestellte Zündschaltung
durch Zündimpulse 8 zündbar, wodurch
der Thyristor 7 von einer Sperrstellung, in der ein Stromfluss über den
Thyristor 7 unterbrochen ist, in eine Durchgangsstellung überführbar, in
der ein Stromfluss über den
Thyristor 7 ermöglicht
ist.
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In
Reihe zum Thyristor 7 sind ferner ein ohmscher Shuntwiderstand 9 sowie
eine Begrenzungsinduktivität 10 angeordnet.
Die an dem Shuntwiderstand 9 abfallende Spannung wird als
Spannungssignal erfasst, wobei Abtastmittel das erhaltene Spannungssignal
unter Gewinnung von Abtastwerten abtastet und die Abtastwerte durch
einen Analog-/Digitalwandler in digitale Spannungswerte umgewandelt werden.
Die Spannungswerte werden anschließend in digitale Stromwerte 11 umgerechnet.
Dabei ist die Abtastrate der Spannungssignale so hoch, dass der Kurvenverlauf
eines Entladungsstromes, der durch Kurzschließen des Kondensators 6 erzeugbar
ist, erfasst werden kann. Ein solcher Entladungsstrom ist vorteilhafterweise
pulsförmig
und weist beispielsweise eine Halbwertsbreite von 3 ms auf, wobei
die Halbwertsbeite als gesamte Breite gemessen wird, die der Stromimpuls
an der Hälfte
seines Maximums aufweist.
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Die
in 3 dargestellte Testimpulsschaltung verfügt ferner über ein
Relais 12, mit dem eine Auswahl ermöglicht ist, über welchen
der parallel geschalteten Teststromleiter 1a, 1b oder 1c der
Entladungsstrom fließt.
Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist somit lediglich eine Testimpulsschaltung zum Prüfen von
drei Stromwandlern nötig, wobei
jedem Stromwandler nur ein Teststromleiter 1a, 1b oder 1c jeweils
zugeordnet ist.
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Die
Teststromschaltung 5 umfasst ferner Auflademittel 13,
die eine figürlich
nicht dargestellte Gleichspannungsquelle sowie einen Transformator 14 mit
einer Primärwicklung 15 und
einer Sekundärwicklung 16 umfassen.
Ferner weisen die Auflademittel 13 eine Gleichrichterdiode 17 sowie
einen Halbleiterschalter 18 auf. Durch Zünden des
Halbleiterschalters 18 in einer bestimmten Pulsfolge 19,
wird der Halbleiterschalter periodisch von seiner Durchgangsstellung
in seine Sperrstellung überführt. Durch ein
solches periodisches Verändern
der Schaltstellung des Halbleiterschalters 18 wird der
Stromfluss über
die Sekundärwicklung 15 quasi
zerhackt und ein entsprechender Sekundärstrom in der Sekundärwicklung 16 erzeugt.
Der Sekundärstrom
wird anschließend
durch die Gleichrichterdiode 17 gleichgerichtet, wobei
es zum Aufladen des Kondensators 6 kommt. Die Ladespannung
des Kondensators 6 ist dabei zum einen von der gewählten Gleichspannungsquelle
sowie von der Ansteuerung des Halbleiterschalters 18 abhängig und
kann durch figürlich nicht
dargestellte Regelungsmittel eingestellt werden.
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Die
Ladespannung des Kondensators 6 beeinflusst darüber hinaus
auch die Kurvenform und die Amplitude des Entladungsstromes. Hierzu
sind Regelungsmittel vorgesehen, wobei die Regelungsmittel die an
dem Shuntwiderstand 9 gemessene Stromkurvenwerte über eine
zweckmäßige Kommunikationsleitung
empfangen und die sich daraus ergebende Kurvenform des Entladungsstromes
mit einem vorgegebenen Sollverlauf vergleichen. Bei einer zu großen Abweichung
wird mittels einer internen Logik ein Ladespannungssollwert erzeugt,
der an eine untergeordnete Spannungsregelung übergeben wird, die mittels
einer zweckmäßigen Impulsfolge 19 eine dem
Ladespannungssollwert entsprechende Ladespannung des Kondensators 6 einstellt.