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Einrichtung zur Erfassung der in einem Stromkreis während eines bestimmten Zeitabschnitts auftretenden totalen Änderung der
Leistung, bzw. einer Strom- oder Spannungskomponente
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erfassung der in einem Stromkreis während eines bestimmten Zeitabschnitts auftretenden totalen Änderung der Leistung bzw. einer Stromoder Spannungskomponente, wobei eine Differenzspannung Verwendung findet, die von zwei gleichgerichteten Teilspannungen gebildet wird, welche wiederum aus der geometrischen Summe und der geometrischen Differenz einer der Spannung und einer dem Strom proportionalen Grösse bestehen.
Bei Dreiphasentransformatoren, die aus drei einphasigen Stufentransformatoren aufgebaut sind, erfolgen die Schaltmassnahmen der nicht synchronisierten Schaltantriebe praktisch nie gleichzeitig. Es ist in diesem Fall wichtig, statt der Einzeländerungen die totalen Änderungen der Leistung bzw. des Stromes und der Spannung im Stromkreis zu erfassen. Bei statistischen Messmethoden liegt die gleiche technische Aufgabe vor.
Das vorgenannte Problem lässt sich in vorteilhafter Weise durch die Erfindung lösen. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass an einer Differenzspannung ein Kondensator liegt, der zu Beginn der Messperiode durch einen ersten Kontakt abgetrennt und am Ende der Messperiode in Reihenschaltung mit einer Relaiseinrichtung durch einen zweiten Kontakt wieder an die Differenzspannung gelegt wird, so dass an der Relaiseinrichtung die Differenz zwischen der am Kondensator vorhandenen Ladespannung bei Beginn der Messung und der Spannung am Ende der Messperiode auftritt.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch wiedergegeben.
Fig. 1 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise. Die Fig. 2,3 und 5 stellen bekannte Anordnungen dar bzw. Einrichtungen, die als naheliegende Weiterbildung des Standes der Technik zu werten sind. Auf die eigentliche Erfindung beziehen sich die Fig. 4 und 6.
Fig. 2 zeigt eine Schaltung für Blindstrommessungen. Ein an den Phasen S und T liegender Spannungswandler 1 speist einen Zwischenspannungswandler 2, welcher zwei unter sich gleiche Sekundärwicklungen besitzt. Letztere sind mit je einem Gleichrichter 6a und 6b über Widerstände 5a und 5b verbunden. In diesen Widerständen wird ein dem Strom der Zwischenwandler 4a und 4b proportionaler Spannungsabfall erzeugt. Ein in die Phase R geschalteter Stromwandler 3 erregt die Zwischenwandler 4a und 4b. Die Schaltung ist so gewählt, dass ein Gleichrichter die geometrische Summe, gebildet aus der Spannung und einer dem Strom proportionalen Spannung erhält und der andere die geometrische Differenz dieser zwei Grössen, wie dies aus dem Zeigerdiagramm der Fig. 1b hervorgeht.
Legt man deren Bezeichnungen zu Grunde, so ergibt eine Zwischenrechnung die Beziehung
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Ist derStromvektor I imVerhältnis zumSpannungsvektor U klein, so wird Ua + Ub sus 2 U und somit
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Die Differenz der beiden gleichgerichteten Teilspannungen ist somit annähernd proportional der Blindkomponente des Stromes bezüglich der Phasenspannung R (Fig. lc). Durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen Stromvektor und Spannungsvektor lässt sich der Fehler, welcher durch die oben erwähnte Vereinfachung auftritt, beliebig verkleinern. Dieser Fehler ist proportional dem Unterschied zwischen 2. U und Ua + Ub. Er lässt sich aus der Gleichung
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errechnen.
Er erreicht sein Maximum, wenn sin = 0, 58 und cos = j : 0, 82 ist. Beträgt beispielsweise bei Vollast I/U = 0, 2, so erreicht der maximale Fehler zirka 0, 810 des Nennstromes.
Wird an Stelle der Spannung ST eine Spannung in Richtung der Phasenspannung R gewählt, so erhält man das Zeigerdiagramm der Fig. la. Obige Formeln gelten sinngemäss, und die Differenz der gleicherichteten Teilspannungen ist nun annähernd der Wirkkomponente des Stromes bezüglich der Phasenspannung R proportional.
Durch entsprechende Wahl der Phasenlage der bei der Messung verwendeten Spannung, kann'eine Stromkomponente in einer beliebigen Richtung erfasst werden, wobei hauptsächlich die Wirk- und Blindkomponenten von Bedeutung sind.
Falls der Spannungsvektor wesentlich kleiner ist als der Stromvektor, erhält man eine Differenzspannung, die annähernd der Wirk- bzw. Blindkomponente der Spannung proportional ist. Im Normalbetrieb kann man eine solche Schaltung nicht brauchen, da der Strom sehr klein werden kann und demzufolge wiederum die Wirk- oder Blindstromkomponente erfasst wird. Sie lässt sich jedoch bei gewissen Schutzschaltungen anwenden, die nur dann in Funktion treten, wenn der Strom infolge eines Kurzschlusses oder einer Überlast gross genug ist gegenüber der Spannung.
Die gleichgerichteten Spannungen werden nötigenfalls mit Hilfe der Drosselspulen 7a, 7b und der Kondensatoren 8a, 8b (Fig. 2) geglättet. Die Widerstände 9a und 9b gestatten das Fliessen des Differenzstromes und die Entladung der Kondensatoren 8a, 8b bei Spannungssenkung. An die Differenzspannung sind die Relaisspule 11 und der Kondensator 10 in Reihe geschaltet. Im stationären Zustand tritt in diesem Kreise kein Strom auf. Bei plötzlicher Änderung der Differenzgleichspannung fliesst jedoch in der Relaisspule eine Elektrizitätsmenge, die gegeben ist durch das Produkt der Spannungsänderung und der Kapazität des Kondensators 10.
Wird das Relais so ausgelegt, dass sein Weg proportional der bei einem Stoss fliessenden Elektrizitäts-Menge ist (dies trifft immer dann zu, wenn die Zeitkonstante des Kreises bedeutend kleiner ist als die Ansprechzeit des Relais oder wenn letzteres eine ganz kleine Rückstellkraft und eine der Geschwindigkeit proportionale Dämpfung besitzt), so spricht das Relais auf eine ganz bestimmte Änderung der Differenzspannung und somit auf eine bestimmte Änderung des Wirkstromes bzw. des Blindstromes an. Ist das Relais beispielsweise mit einem Dauermagneten polarisieit, so kann es zwischen Zunahme und Abnahme des Wirk- bzw. des Blindstromes unterscheiden. Sein Kontakt 12 trifft entsprechende Schaltmassnahmen.
Falls bei Verwendung eines dynamischen Relais die eine Wicklung durch einen der Netzspannung proportionalen Gleichstrom gespeist wird, so misst das Relais die Wirk- bzw. die Blindleistungsänderungen. Muss umgekehrt die Änderung der Differenzspannung einen der Spannung proportionalen Wert überschreiten, um ein Ansprechen zu bewirken, was mit einer der Spannung proportionalen Polarisierung eines Relais oder eines Verstärkers leicht zu verwirklichen ist, so spricht die Einrichtung bei einer bestimmten Änderung der Konduktanz (= Wirkleitwert, d. h. Verhältnis des Wirkstromes zur Span-
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des Kondensators 10 kann auch, beispielsweise bei einer Regelung, ein der Änderungsgeschwindigkeit des Wirk- oder Blindstromes proportionales Signal geben, das sich nötigenfalls mit einem magnetischen oder elektronischen Verstärker vergrössern lässt.
Gemäss Fig. 3, in der gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie in Fig. 2, können entsprechende Resultate erreicht werden, indem man die Spannung und den Strom in Zwischenstromwandlern addiert bzw. subtrahiert. Die Zwischenwandler 15a und 15b besitzen je zwei Primärwicklungen. Die eine wird gespeist durch den über den Widerstand 14 fliessenden Strom, welcher proportional ist der durch den Spannungswandler 1 abgegebenen Spannung. Die zweite Primärwicklung erhält ihren Strom vom Stromwandler 3. Die resultierenden Ströme werden durch die Gleichrichter 6a und 6b gleichgerichtet und miteinander verglichen. Ihre Differenz fliesst in der Primärwicklung des Differenziertransformators 13.
Letzterer ist ein Transformator mit Luftspalt, welcher beim grössten vorkommenden Betriebsgleichstrom nicht gesättigt ist. Damit die Stromdifferenz ganz durch die Primärwicklung des Differenziertransfor-
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richter 6. Nötigenfalls ist der Strom zu glätten. Die Sekundärspannung des Differenziertransformators stellt ein der zeitlichen Änderungsgeschwindigkeit des Blind- oder Wirkstromes proportionales Signal dar. Bei plötzlichen Änderungen ist die im Sekundärkreis des Differenziertransformators fliessende Elektrizitätsmenge wiederum proportional der Änderung der Differenz der gleichgerichteten Ströme und damit auch des Blind- oder Wirkstromes. Das Relais 11 mit seinem Kontakt 12 funktioniert also auf ähnliche Weise wie im vorhergehenden Beispiel.
Fig. 5 zeigt die gleiche Schaltung wie Fig. 3, d. h. die Summierung der Spannung und des Stromes in Zwischenstromwandlern, aber für dreiphasigen Anschluss. Hier wird die Anzahl der Haupt-und Zwischenwandler verdoppelt. Die Wirk- und Blindstromänderungen werden auch bei unsymmetrischer Belastung richtig erfasst, und die Wechselkomponente des gleichgerichteten Stromes ist wesentlich kleiner.
Die Einrichtung gemäss Fig. 4 ist ebenfalls dreiphasig angeschlossen. Der Oberwellengehalt der gleichgerichteten Spannung ist dadurch wesentlich kleiner als bei einphasigem Anschluss. Die Schaltung der Fig. 4 ist weitgehend derjenigen von Fig. 2 ähnlich. Die Zahl der Haupt- und Zwischenwandler ist jedoch verdoppelt und die resultierenden Spannungen werden paarweise in der bekannten V-Schaltung gruppiert.
Die Widerstände 5c, die ebenso gross sind wie die Widerstände 5a und 5b bewirken, dass die Spannungsabfälle symmetrisch werden. Somit muss der Strom in jedem Augenblick durch zwei solche Widerstände fliessen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Wirk- oder Blindstromänderungen über eine gewisse Zeitspanne zu integrieren und nicht jede augenblickliche Änderung zu erfassen. Das Relais muss in diesem Falle die totalen Änderungen messen. Man könnte die Zeitkonstante des Differenzierkreises sehr gross machen gegenüber der eigentlichen Messzeit, oder ein Integrierrelais, beispielsweise mit geschwindigkeitsproportionaler Dämpfung verwenden. Beide Lösungen erfordern aber einen ziemlich grossen Aufwand. Eine einfachere Schaltung ist in Fig. 4 dargestellt.
Vor der Messung ist der Kontakt 16 geschlossen, so dass der Kondensator 10 die jeweilige Spannungsdifferenz aufnimmt. Bei Beginn der Messperiode wird der Kontakt 16 geöffnet. Der Kondensator behält die unmittelbar vorherrschende Spannung. Am Ende der Messperiode schliesst der Kontakt 17, und das Relais 11 erhält einen Strom, der der Spannungsänderung während der Messperiode proportional ist. Damit keine Fälschung der Messung durch einen Wechselstromanteil erfolgt, muss die Differenzspannung zwischen den Gleichrichtern 6a und 6b gut geglättet sein, beispielsweise mit einer Siebkette, bestehend aus der Drosselspule 7 und dem Kondensator 8. In diesem Fall wird wegen des viel kleineren Oberwellengehalts mit Vorteil der dreiphasige Anschluss gewählt, wobei die Gleichrichter 6 in Dreiphasenbrückenschaltung angeordnet sind.
Will man ganz kleine Änderungen erfassen, so kann die Gleichspannungs- oder Gleichstromdifferenz verstärkt werden, bevor sie differenziert wird. a. zw. mit elektronischen oder magnetischen Verstärkern.
Fig. 6 zeigt, wie eine Kaltkathodenröhre als Relais zur Erfassung der Wirk- oder Blindstromänderung verwendet werden kann. Der Kondensator 10 liegt in Reihe mit dem Potentiometer 18 an der Spannungsdifferenz, welche dem zu messenden Wirk- oder Blindstrom proportional ist. Um mit verhältnismässig kleinen Gleichspannungen auszukommen, wird die Spannungsänderung, welche am Potentiometer 18 auftritt, bei der Messung durch den Transformator 19 auftransformiert. Diese Spannung liegt über den Begrenzungswiderstand 21 und den Gleichrichter 22 zwischen Steuerelektrode und Kathode der Kaltkathodenröhre 23. Beim Erreichen einer bestimmten Spannung zündet die Röhre 23, und die Relaisspule 24 wird erregt.
Die Schaltmassnahmen erfolgen mit dem Kontakt 26, wobei der Kontakt 25 die Speisung der Röhre kurzzeitig unterbricht, so dass sie wieder löscht. Ein Überspannungsableiter 20 verhindert das Auftreten von gefährlichen Überspannungen bei sehr grossen Änderungen. Infolge des Gleichrichters 22 spricht die Einrichtung sowohl bei positiven wie bei negativen Änderungen an. Sollen je nach der Richtung der Änderung verschiedene Schaltmassnahmen getroffen werden, so sind zwei Röhren vorzusehen, wobei jede für eine Polarität funktioniert. Das Potentiometer 18 gestattet die Einstellung des Ansprechwertes.
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