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Präzisionsspannungswandler 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 und Streuwiderstände auch bei jedem gewählten
Übersetzungsverhältnis einander relativ gleich sind, d. h., daß die primären O'hmschen
und Streuwiderstände bezogen auf die Sekundärwicklung einander gleichen. Die Primärwicklung
von Präzisionsspannungswandlern wird entweder als Zylinder- oder Röhrenwicklung
oder als Abteilungswicklung ausgeführt, wobei die letztere bei großer Spulenzahl
zu einer sogenannten Scheibenwicklung wird. Die Zylinder-oder Röhrenwicklung, bei
welcher die Wicklung in 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 herausgeführ t werden. Durch entsprechende Abstufung der Drahtquerschnitte
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 nächstliegeren Wicklungsteiles (d. h. also der zwischen dem
Vicklungsanfang 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 schonerwähnt, 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 und deshalb eine allgemeine Korrektur
nicht anwendbar ist.
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-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.
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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 dein Umfang des Querschnittes
der Wicklungsabteilungen liegenden Windungen befindet, und daß diese Schirmbeläge
von einem besonderen Transformator oder Spannungswandler (Steuertransformator) aus
gesteuert werden. Die Hochspannungswicklung 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
Schenkeln die Wicklungen trägt. Ferner ist es empfehlenswert, wenn die in der Schaltungsfolge
aufeina.nderfolgenden 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.
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In den Abb. i bis 5 sind Ausführungsbeispiele für einen Präzisionsspannungswandler
gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Die Abb. i zeigt einen Schnitt durch
die aktiven Teile des Präzisionsspannungswandle:rs mit seinem Steuertransformator.
Der rahmenförmige Eisenkern des Steuertransformators ist mit io, der rahmenförmige
Kern des Präzisionsspannungswandlers mit i i bezeichnet. Beide Kerne weisen die
gleiche Symmetrieachse auf; ihre Ebenen stehen senkrecht zueinander. Der Rahmenkern
z i trägt auf zwei einander gegenüberliegenden Schenkeln die Sekundär- oder Nieder-
Spannungsspulen
12" und I26. Im erforderlichen Isolationsabstand von den beiden Spulen 12" und I26
sind die scheibenförmigen Primär- bzw. Hochspannungswicklungsteite 13, 14, 15, 16,
17, 18, i9 und 2o angeordnet. Der Steuertransformator weist ebenfalls acht Hochspannungswicklungsabteilungen
in Scheibenspulenform auf, die, wie beim Präzisionsspannungswandler, abwechselnd
auf den beiden be@ wickelten Schenkeln des Rahmenkernes io angeordnet sind. Da die
Ebene des Rahmenkernes io senkrecht zu der Ebene des Rahmenkernes i i liegt, sieht.
man in Abb. i 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 ih untergebrachten, einander
parallel geschalteten Wicklungsabteilungen, was in der Abb. i der besseren Übersicht
wegen nicht dargestellt ist. Jeder von den scheibenförmigen Primärwicklungsteilen
13 bis 2o 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 Wind.ungsschlusses eine Unterbrechung
aufweist. Sie sind gegen ihre Umgebung und gegen die Ausleitungen 41 bis 56 ihrer
Wicklungsabteilungen ausreichend. isöliert. Das Potential dieser Schirmbeläge wird
von den Hochspannungswicklungsteilen des Steuertransformators aus gesteuert. Die
Enden jeder der Wicklungsabteilungen des Steuertransformators sind herausgeführt
und an Klemmen angeschlossen, von denen in Abb. r 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. i nur die Klemmen 78, 8o, 82 und 84 zu sehen sind. Die Steuerung der Schirmbeläge
30, 32; 34 und 36 erfolgt nun durch ihre in der Abb. i nicht dargestellte Verbindung
mit den Klemmen 78, 8o, 82 bzw. 84. Die Schirmbeläge 29, 3 i, 33 und 35 werden mit
den entsprechenden Mittelanzapfungen der vier in Abb. i nicht sichtbaren Hochspannungswicklungsabteilungen
des Steuertransformators verbunden.
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Die Abb. 2 zeigt schematisch die Schaltungsfolge der Hochspannungswicklungsabteilungen
des Steuertransformators und des Präzisionsspannungswandlers. Hier sind auch die
in Abb. i 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, 79, 81 und 83 dargestellt.
Die letztgenannten Klemmen dienen zur Steuerung der Schirmbeläge 29, 34 33 und 35
des Präzisionsspannungswandlers. 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 io8 und i i i bis 134 aufweist. Die
Klemme6i wird also mit der Klemme i i i, die Klemme 77 mit der Klemme 112, die Klemme
62 mit der Klemme I 13, die Klemme 63 mit der Klemme 114 usw. bis Klemme
56 mit der Klemme io8 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 iog und iio zugeführt werden, die an dem Schaltstück bzw. Schaltkranz entsprechend
angeordnet werden.
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Die Abb. 4 zeigt die Verbindungen, die zur Herstellung einerHalbserien-,
Halbparallelschaltungdes Präzisionsspannungswandlers notwendig sind. Bei dieser
Schaltung sind also je zwei elektrisch nebeneinander- bzw. räumlich einander gegenüberliegende
Spulen parallel geschaltet; die aus Abb.4 ersichtlichen 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 Schaltungsarten erforderlichen Schaltverbindungen herleiten; für diese werden
entsprechend ausgebildete weitere Schaltstücke oder Schaltkränze vorgesehen, die
dann je nach der gewünschten Schaltungsweise wahlweise verwendet werden.
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Ein derart gemäß der Erfindung aufgebauter, Präzisionsspannungswandler
hat, wie schon erläutert wurde, den Vorteil, daß sein-, 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 Wandi-,r läßt sich allerdings hochspannungsseitig nur im Verhältnis
1:2:4:16:3?- usw. in seiner Übersetzung ändern, d. h., zwischen den einzelnen Übersetzungsverhältnissen
treten also immer Sprünge im Verhältnis 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 1::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 I : 1,5, so ist es auch möglich, bei diesen beiden Übersetzungsverhältnissen
den Streuwiderstand und den Ohrnschen Widerstand, bezogen auf die Sekundärwicklung,
einander gleich zu halten. Die Abb. 5 zeigt ein Beispiel für eine solche Wickluizgsanordnung,
und zwar für die
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 Ohmschen
Widerstände, bezogen auf die Sekundärwicklung i2a, als auch die Streuwiderstände,
bezogen auf die Sekundärwicklung 12Q, genau gleich sind. Diese Wicklungsanordnung
ermöglicht es also, den Wandler hoclvspannungsseitigimVerhälbnis 1: i,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).
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Die Umschaltung der vielen hochspannungsseitigen Anzapfungen ist keineswegs
zeitraubend oder umständlich; denn sie kann durch wahlweise zu benutzende Schaltstücke
öder Schaltkränze, wie schon oben kurz erwähnt, sehr einfach durchgeführt werden.
Es ist auch bereits ein Präzisionsspannungswandlervorgeschlagen worden, derhochspannungsseitig
eine Vielzahl von Anzapfungen aufweist, die an in einem Isoliers.toffring desWandlergehäuses
vorgesehene Durchführungsbolzen geführt sind, welche auf den Umfang des Isolierstoffringes
vorzugsiveise gleichmäßig verteilt in einer oder mehreren Ebenen angeordnet sind.
Zur Herstellung der verschiedenen Verbindungen dienen gemäß dem älteren Vorschlag
ein oder mehrere entfernbare Isolier= ringe (Schaltkränze), welche den Isolierstoffring
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 Windungszahlen der einzelnen Wicklungsabteilungen
(in Abb. 5 also die Wicklung zwischen den Klemmen 41 und 42) wahlweise in Serien-oder
Parallelschaltung usw. umschalten kann, lassen sich auch entsprechende Umschaltungen
bezüglich der Teilwindungszahlen 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 29 durch Winkelringe 137, 138 und rag gegenüber
der Sekundärwicklung 12, und dem nicht gezeichneten Eisenkern bzw. dessen unbewickelten
Schenkeln ausreichend isolieren kann, ohne die Baulänge wesentlich zu vergrößern.
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Der Präzisionsspannun gswandler wird mit dem Steuertransformator zweckmäßig
in einem gemeinsamen mit Isolierflüssigkeit gefüllten Gehäuse untergebracht.