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Die Erfindung betrifft einen komplexen selbstabgleichenden Kompensator für Wechselstromgrössen, bei dem die zu messende Grösse nach einem Realteil und einem Imaginärteil abgeglichen wird.
Bekannt sind komplexe Wechselstromkompensatoren mit selbsttätigem Abgleich derreellenund imaginären Komponente durch phasenabhängige Nullmotoren, für die z. B. auch Induktionszähler-Messwerke verwendet werden. Bei andern Wechselstromkompensatoren verwendet man Induktionsdynamometer oder Doppel-Elektrodynamometer als Drehtransformatoren. Diese Geräte haben alle den Nachteil, dass der mechanische Aufwand beträchtlich ist. Wesentlich einfacher lassen sich Kompensatoren mit elektronischen Mitteln herstellen. Auch hier gibt es schon Kompensationsschaltungen mit Nullgeneratoren und mit magnetisch steuerbaren Widerständen, wobei diese zum Abgleich von Wechselstrom-Messbrücken dienen.
Jedoch können mit diesen keine Spannungen oder Ströme kompensiert werden durch in bezug auf Grösse und Phase veränderbare Vergleichsspannungen oder-ströme, die aus zwei hintereinandergeschalteten um 900 gegeneinander phasenverschobenen Teilgrössen bestehen.
Die Aufgabe besteht daher darin, einen komplexen selbstabgleichenden Kompensator für Wechselstrom- grössen. bei dem die zu messende Grösse nach einem Realteil und einem Imaginärteil abgeglichen wird, zu schaffen, mit dessen Hilfe zur Kompensation Vergleichsspannungen oder Ströme verwendet werden können, die in bezug auf Grösse und Phase veränderbar sind und die aus zwei hintereinandergeschalteten um 90 gegeneinander phasenverschobenen Teilgrössen bestehen.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass er aus zwei Regelkreisen besteht, von denen einer den Imaginärteil und der andere den Realteil der zu messenden Wechselstromgrösse regelt, und dass die beiden Regelkreise über einen Verstärkerzug miteinander verkoppelt sind, an dessen Eingang die Differenz der zu messenden Wechselstromgrösse und der in den beiden Regelkreisen erzeugten Kompensationsgrösse gebildet wird.
Mit dem Kompensator nach der Erfindung können Widerstände, Induktivitäten, Kapazitäten, Verlustfaktoren von Kondensatoren und Kabeln in Abhängigkeit von Spannung, Strom, Spannung und Leistung und Fehler von Strom- und Spannungswandlern gemessen werden.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert.
In der folgenden Erfindung sind Formelzeichen und Indices verwendet. deren Bedeutung nachstehend angegeben ist. Bei den Formelzeichen bedeuten grosse Buchstaben Effektivwerte, unterstrichene grosse Buchstaben Zeigerwerte, kleine Buchstaben zeitabhängige Grössen, kleine Buchstaben mitDach zeitliche Grössen. Als Indices sind verwendet K für Kompensationsgrösse, Re für Realteil, Im für Imaginärteil : das Zeichen KN bedeutet Korrekturfaktor des Normalwandlers.
In Fig. 1 ist der Kompensator in Form einer Wandlermesseinrichtung dargestellt. Ein Normalspannungswandler --11-- und ein zu prüfender Spannungswandler --12-- liegen primärseitig parallel an der gleichen Spannung und sind sekundärseitig über einen hohen Widerstand --13-- parallelgeschaltet. Am Widerstand --13--liegt dann die Spannungsdifferenz der Sekundärspannungen U2 -U1 die über einen nicht dargestellten Verstärker an den Eingang des komplexen Wechselstromkompensators gelegt wird. Die am Ausgang des Verstärkers liegende Spannung Ux ist proportional dieser Spannungsdifferenz.
Ein Wandler --14-- Ubersetzt die Sekundärspannung 21 auf die erforderliche Bezugsspannung urne. Die darauf senkrechte Komponente Ujm wird über eine 900-
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DieSchaltungsanordnung zugeleitet, welche aus zwei Regelkreisen besteht. Die Regelkreise enthalten jeder einen elektronischen Muliplizierer --43 bzw. 4b--, deren Ausgänge mit dem Summierpunkt-l-verbunden sind,
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mit den elektronischen Multiplizierern-4a bzw. 4b-- verbunden sind. Die Gleichrichter-Sa bzw. 3b-werden gesteuert von Steuereinrichtungen --2a bzw. 2b--, die vom Filter --5a-- beaufschlagt werden. Die beiden Regelkreise haben eine gemeinsame Koppelstrecke, in der ein aus einem Filter --6-- und einem regelbaren Verstärker --7-- bestehender Nullverstärker liegt.
Die Regelung des Verstärkers --7-- wird Uber das Filter --5b-- besorgt. Am Ausgang des Kompensators sind an jedem Regelkreis Messgeräte --9a bzw. 9b--und Siebe --10a bzw. 10b-- angeschlossen. In einem der beiden Regelkreise liegt eine 900-Schaltung --15--.
Eine weitere 900-Schaltung --16-- ist zwischen das Filter-Sa-und die Steuereinrichtung --2b-- geschal- tet. Es ist jedoch möglich, nur eine 90 -Schaltung zu verwenden.
Dem einenMultiplizierer wird eine der Bezugsspannung oder dem Bezugsstrom proportionale, dem Realteil entsprechende Wechselstromgrösse ! zugeführt, dem andern eine dem Betrag nach gleiche, jedoch um 900 phasenverschobene, dem Imaginärteil entsprechende Wechselstromgrosse vim. Diese beiden Grössen werden jeweils mit einem solchen Gleichstrom multipliziert, dass am Ausgang die Spannung UK entsteht, die wieder aus den von beiden Multiplizierern abgegebenen-und aufeinander senkrecht stehenden Teilgrössen der reellen Kom-
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sse ERe proportional ist und die andere UIm-dem Sinus des Winkels a zwischen den Vektoren dieser beiden Grössen.
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Da die Gleichspannungen URe-undUIm-sowohl positiv als auch negativ sein können, werden somit Spannungsvektoren in allen vier Quadranten kompensiert. Die Gleichspannungen können nun Messgeräten mit Zeigern oder digitalen Messgeräten, letztere auch mit Druckeranschluss versehen, oder X-Y-Schreibern mit zwei Messwerken in der Y-Achse zugeführt werden, so dass eine fortlaufende Anzeige oder Aufzeichnung der gemes- senen Werte möglich ist Zur Erzeugung der gegen U um 90 phasenverschobenen Bezugsspannung U besteht die 90-Schaltung entweder aus einer Gegeninduktivität, besonders einer Integrationsschaltung. oder aus einer der sonstigen übli- chen 900-Schaltungen.
Speziell bei der Prüfung von Stromwandlern hat die Verwendung eines Integrators den Vorteil, dass der Frequenzausgang von Integrator und Wandler für Oberschwingungen gleichartig ist, so dass im Nullzweig bei oberschwingungshaltigem Primärstrom keine zusätzlichen Oberschwingungen auftreten. Zur Verringerung der Aufnahmeleistung kann die Gegeninduktivität auch von einem Verstärker gespeist werden,
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einander oder Ströme mit Spannungen. An dem ersten Eingang des Multiplizierers Ma liegt die Bezugsspannung UR und an dem des Multiplizierers Mb die Bezugsspannung U Muss der erste Eingang jeweils mit einem Strom gespeist werden, so werden die Bezugsspannungen über Verstärker in proportionale Ströme umgewandelt.
Die phasengesteuerten Gleichrichter --3a und 3b -- mit eingebauten nachfolgenden Gleichstromverstärkern dienen dazu, die Restwelligkeit der gleichgerichteten Spannung praktisch zu beseitigen. Ihre Durchlasszeiten
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aufgezeichnet werden, wobei die Messgeräte über Spannungsfolger oder über Verstärker mit einer dem Messbereich angepassten Verstärkung gespeist werden, damit der Messkreis unabhängig von dem Eigenverbrauch der Messgeräte wird. Die zu messende Spannung Ex wird zweckmässig über einen Spannungsfolger an den Kompensationskreis gelegt, damit dieser unabhängig von dem Innenwiderstand der Spannungsquelle U ist, oder über eine spezielle Verstärkerschaltung, die einen erdfreien Anschluss erlaubt.
Die Schaltung ist nun so gepolt, dass die von dem regelbaren Verstärker --7-- und den Gleichrichtern
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entgegenwirkt und nur eine sehr kleine Differenzspannungy 0 am Eingang des Filters --6-- mit dem nachgeschalteten regelbaren Verstärker --7--zur Aufrechterhaltung der Gleichspannungen bleibt. Die Teilspannungen UKRe und UKRe und UXRe liegen in Phase mit der reellen Komponente der Bezugsspannung UR und die Teil-
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zerlegt werden. Solange die Komponenten von ! ! K nicht gleich den Komponenten vonUx sind, wirkt auf den Verstärker die Differenzspannung Ut ein und regelt die Gleichspannungen so, dass
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und
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sind.
UXR ersetzt die zeitlich sinusförmig veränderliche Grösse -XRe
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Aus
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folgt, dass die Gleichspannung
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ist.
Analog ist die Gleichspannung
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Die Proportionalitätsfaktoren k1 und k2 werden von der Art der Multiplizierer bestimmt.
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erzeugten Gleichspannung
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Der Gleichrichterwert der Gleichspannung ist
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wenn der Gleichrichter durch die Bezugsspannung UI gesteuert wird. Aus den Gleichungen folgt, dass die Wirkkomponente der zu messenden Spannung U
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und die Blindkomponente
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ist, da U und U proportional der angelegten Spannung U sind.
Re Im
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Damit das Messergebnis unabhängig von Oberschwingungen ist, die in der Differenzspannung 0 enthalten sein können, ist der regelbare Verstärker --7-- mit dem Filter --6-- als Nullverstärker geschaltet. Zum Ausgleich der durch dieses Filter hervorgerufenen Phasenverschiebung können in die Zuleitungen zu den phasengesteuerten Gleichrichtern ein gleichartiges Filter bzw. zwei gleichartige Filter eingesetzt werden. Dies wird erforderlich, wenn Filter grosser Oberschwingungsdämpfung und damit grosser Laufzeit nötig sind.
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nung U. Bei Einstellungen von I oder U zwischen 1 und 200% des Messwertes ändert sich die Anzeige um weniger als 1% ihres Wertes.
Allerdings wird mit der Höhe der anliegenden Spannung der Verstärkungsgrad des Ver- stärkers --7-- und damit auch die Einstellzeit beeinflusst. Um einmal bei hohen Werten von I und U ein Schwingen der Anordnung zu vermeiden, anderseits aber die Einstellzeit auch bei kleineren Werten von I und U kleiner als 1 s zu halten, wird der Verstärkungsgrad des Verstärkers mit zunehmendem I oder U mittels magnetfeldabhängigen Widerständen herabgesetzt. Es sind auch andere Mittel, z. B. fremd-oder selbstgeheizte Thermistoren anwendbar. Auch kann es von Vorteil sein, einen digital schaltenden Abschwächer zu verwen-
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und die digitale Steuerung zu kombinieren. Weiter kann es vorteilhaft sein, nur den dynamischen Bereich zu vergrössern, wenn eine Verstärkungsumschaltung von z.
B. genau 10fach am Referenz- und Signaleingang gleichzeitig vorgenommen wird. Hiebei werden I oder U gleichgerichtet und mit dem Gleichstrom das zu steuernde Feld erzeugt, das nun proportional I oder U ist. Je nach der Art des Multiplizierers eignet sich der Kompensator zur unmittelbaren und leistungslosen Messung von Spannungen kleiner als 1 mV bis zu 10 V. Für höhere Spannungen kann ein induktiver Spannungsteiler verwendet werden. Der Spannungsfehler eines Spannungs- wandlers ist definiert als
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Unter der Voraussetzung, dass der Normalwandler keinen Fehler hat, kann man auch schreiben : (s. Zeigerdiagramm Fig. 3 ; statt. ! ist jeweils U zu setzen), für den Spannungsfehler
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und für den Fehlwinkel
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denn
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wobei 6 sehr klein ist.
Nach dem Abgleich ist :
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da U U . ist :
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und
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Die Skalen der Messgeräte --9a und Ob-können in Prozenten bzw. in Minuten geteilt werden, so dass die Fehler des Wandlers unmittelbar abgelesen werden können.
Bei der Messung von Fehlern von Stromwandlern werden ein Normalwandler und der zu prüfende Stromwandler primärseitig in Reihe und sekundärseitig Uber die BUrde und Uber einen bei den Sekundärkreisen gemeinsamen Diagonalwiderstand gegeneinander geschaltet. so dass im Diagonalzweig die Differenz der beiden Sekundärströme I2-I1 fliesst. In dieser Schaltung kann der Diagonalwiderstand klein gehalten werden, so dass die Wandler voneinander unabhängig sind. Der Spannungsabfall an R liegt am Eingang eines Verstärkers, der eine dem Differenzstrom proportionale Spannung ! abgibt, die dem komplexen Kompensator zugeführt wird. Die Verstärkung von 10 kann 1 : 10 umschaltbar gemacht werden. Dadurch ist es möglich, dasO. lfache der Fehler bei Vollausschlag der Messgeräte --9a bzw. 9b--zu messen.
Dies letztere gilt auch für die Messung der Fehler von Spannungswandlern.
Der Stromfehler eines Stromwandlers ist definiert als
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Unter der Voraussetzung, dass der Normalstromwandler keinen Fehler hat, kann man auch schreiben : (s.
Zeigerdiagramm Fig. 3) für den Stromwandler :
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und für den Fehlwinkel :
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Die proportionalen Bezugsspannungen URe und UIm werden, wie in den vorhergehenden Schaltungen beschieber, erhalten. Es ist ferner ¯UX. Re -Im
Es ist dann
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und
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denn
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Nach dem Abgleich ist wieder
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und
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