Auf die Scheinleistung ansprechende wattmetrische Einrichtung für Mess-,
Steuer-oder Regelzwecke.
Die Erfindung betrifft eine auf die Scheinleistung ansprechende wattmetrische Einrich- tung für Met-, Steuer-oder Regelzweeke.
STemäss der vorleigenden Erfindung ist die auf die Seheinleistung ansprechende Einrich- tung gekennzeichnet durch einen Indikator, dessen Arbeitsspulen von einer der beiden elektrisehen Grossen (Strom, Spannung) eines Hauptstromkreises erregt sind, wobei eine der Spulen im Stromkreis eines magnetischen Ver stärkers liegt, dessen Ausgangsweehselstrom von der andern elektrischen Grosse des Hauptkreises gesteuert wird, derart, dass durch die Spulen des Indikators von der Spannung bzw.
dem Strom des Hauptkreises eindeutig abhängige Strume fliessen, deren Phasenversehiebung jedoch von der Phasenverschie- buy zwisehen Strom und Spannung des Hauptstromkreises mindestens angenähert unabhängig ist.
Ein magnetischer Verstärke besteht aus einem oder mehreren sättigbaren, magneti schen Kreisen mit einer oder mehreren Wick lungen eines Wechselstromkreises als Arbeitswicklung und mit einer zur Gleichstrom-Vor magnetisierung dienenden Steuerwicklung zur Regelung des von dem magnetischen Verstär- ker zu übertragenden. Stromwertes, das heisst. der Stärke des in der oder den als Arbeitswicklung des Verstärkers wirkenden Wicklungen fliessenden Wechselstromes. Der magnetische Kreis kann weitere zusätzliche Wick lungen oder Gleichstromerregungszweige auf- weisen, um eine vorgeschriebene Arbeitscharakteristik zu erhalten.
Beispielsweise wird häufig eine verstärkend wirkende Rüekkopplungswieklung angeordnet, die über einen Gleichrichter aus der Arbeitswicklung gespiesen wird, um zusätzliche Steuer-Amperewindungen zu erzeugen, die in solcher Richtung liegen, dass die Wirkung der Erregung verstärkt und damit die Empfindlichkeit des Indikators erhöht wird.
Die Arbeitswieklung des magnetischen Verstärkers wird vorzugsweise mit der zugehöri- gen Arbeitsspule des Indikators in Serie an die Spannung des Hauptstromkreises geschaltet. Es wurde gefunden, dass dadurch gute Linearität zwischen dem vom magnetischen Verstärker dem Indikator zugeführten Strom und dem Strom erhalten werden kann, der durch die Steuerwicklung des Verstärkers tritt.
In den Figuren der Zeichnung sind Schalt- schemata einiger Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.
Gleiche Teile sind in den verschiedenen Figuren mit gleichen irberweisungszahlen bezeichnet.
Der Indikator M kann ein Wattmeter oder Wattstundenzähler sein und ist üblicherweise ein Induktionsinstrument. Der Indikator kann zu Anzeige-, Steuer-oder Regelzwecken dienen.
Er kann auch ein von der Scheinleistung des Hauptstromkreises beeinflusstes Relais sein.
Bei T ist ein magnetischer Verstärker mit der Gleichstrom-Steuerwieklung 3 gezeigt. Der magnetische Verstärker besteht hier beispiels- weise aus einem dreischenkligen Eisenkern, an dessen Zlittelsäule die Steuerwieklung 3 angeordnet ist, wobei die aus den beiden Teilen 4 und 5 bestehende Arbeitswicklung mit dem durch die beiden äussern Säulen fliessenden Magnetfluss gekoppelt ist. Bei der gezeigten Anordnung sind die beiden Wieklungsteile parallel geschaltet.
Die Anordnung nach Fig. 1 ist an eine Einphasenleitung mit den Leitern 6 und 7 angeschlossen. Die Spannungsspvle 1 des Indikators liegt parallel zu einem regelbaren Widerstand 8, der mit der Drosselspule 9 in Serie geschaltet ist. Dadurch wird die Spule 1 gemäss der zwischen den Leitern 6 und 7 vorhandenen Spannung über die aus dem Widerstand 8 und Drosselspule 9 gebildete Impedanz gespiesen, wobei die Phase des in der Spule 1 fliessenden Stromes mit Hilfe des Widerstandes 8 einstellbar ist. Es könnten auch andere Nfittel zur Phasenversehiebung angewandt werden, und zwar entweder im Strom-oder Spannungskreis oder in beiden.
Die Stromspule 2 des Gerätes liegt in Serie mit der Arbeitswickung 4, 5 des magnetischen Verstärkers an den Leitern 6 und 7, während die Steuerwicklung 3 des magnetischen Verstärkers über den Gleichirichter R mit der Sekundärwicklung eines Stromwandlers 10 verbunden ist, dessen Primärwicklung in der Leitung 6 liegt. Um Gleichrichter kleiner Leistung verwenden zu können, oder um den Stromwandler zu entlasten, können in den Kreis Hilfstransformatoren eingefügt werden.
Zweckmässig wird in Serie zu Wicklung 3 noch eine Drosselspule 11 geschaltet, um den vom Stromwandler her zugeführten und gleich- gerichteten Strom zu glätten. Als Gleichrieli- ter wird vorzugsweise ein Vollweg-Trocken- platten-Gleichrichter verwendet. Zn einem später noeh zu erklärenden Zweek ist parallel zur Ausgangswicklung des magnetischen Verstärkers noeh ein veränderlicher Widerstand 12 geschaltet.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird im Betrieb die Spannungsspule 1 von der zwischen den Leitern 6 und 7 herrschenden Spannung erregt, während die Stromspule 2 vom Strom der Arbeitswieklung des Verstärkers durehflossen ist, dessen Grosse vom magnetischen Verstärker in Funktion des Stromes im Leiter 6 geregelt wird Die Strume in den Spulen 1 und 2 sind gegeneinander um einen bestimmten Betrag phasenversehoben, der aber von der Phasenversehiebung zwisehen Strom und Spannung der Hauptleitungen 6 und 7 unbeeinflusst ist, da der in der Spule 2 flie ssende Strom von der gleichen Stromquelle wie der Strom der Spule 1 herrührt, das heisst von der zwischen den Hauptleitern herrschen- den Spannung.
Am Phasenwinkel zwischen den Strömen. in den Spulen 1 und 2 können jedoch bei Anderung der Strombelastung des Leiters 6 kleine Änderungen auftreten, deren Betrag und Richtungssinn ganz allgemein von den Parametern des magnetischen Verstärkers abhängt. Es lässt sich nun so einrichten, dass diese Änderungen den. durch Abweichun- gen des sinusförmigen Verlaufs des Stromes in der Spule 2 in Abhängigkeit vom Wert. des Belastungsstromes in Leiter 6 bedingten Än derungen entgegenwirken. Mit ändern Wor- ten : es ist auf diese Weise möglich, einer Nichtlinearität im Verhältnis von Sinnskom- ponente und Belastungsstrom entgegenzuwir- ken.
Demgemäss sind die Effektivwerte dieser Strume proportional zu Strom und Spannung der Hauptleitung, so dass der Indikator. M auf die über die Leitung 6, 7 übertragene Seheinleistung anspricht.
Die Impedanz 8, 9 gestattet, das Gerät bei einem Leistungsfaktor 1 oder einem andern Leistungsfaktor zu verwenden, je nachdem dies fiir den einzelnen Fall erforderlieh ist.
Der Widerstand 12 dient zur Korrektur kleinerer Fehler, wie sie bei geringen Be lastungen auftreten können. Bei einem Mehr- phasensystem hängt der Phasenwinkel zwischen den Strömen in den beiden Spulen des Indikators davon ab, mit welchen Phasenleitern die Spulen verbunden sind, so dass für einen gegebenen Fall die günstigste Beziehuna gewählt werden kann. Ausserdem kann eine oder können beide Spulen des Indikators in Serie zu einem Ohmsehen Widerstand oder einer Impedanz gelegt werden, um den Phasenwinkel zwischen den Strömen der genannten Spulen festzulegen.
Bei Verwendung in einem unsymmetrisch belasteten Dreiphasensystem mit drei oder vier Leitern werden drei der an Hand von Fig. 1 beschriebenen magnetischen Verstärker mit den drei Phasenleitern verbunden, wobei drei Verstärker die Stromspulen eines drei teiligen Indikators speisen, dessen Spannungsspulen, wie mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben, erregt werden. Im Falle eines Dreiphasensystems können die Spannungsspulen zwischen den entsprechenden Leiter und einen zugänglichen Neutralpunkt gelegt werden, wie er beispielsweise an einem Spannungswandler vorhanden ist.
Es ist klar, dass dort, wo es notig ist, für die Spulen 1 oder 2 Spannungswandler in die Hauptleitung geschaltet werden können.
Bei einer Variante zu Fig. 1 wird die Stromspule des Indikators direkt von einem Stromwandler gespiesen, während die Span nungsspule über einen magnetischen Verstärker ebenfalls von diesem Stromwandler aus versorgt wird. Die Erregerwicklung des Ver stärkers wird dann über einen Gleichrichter entweder direkt oder unter Verwendung eines Spannungswandlers durch die Netzspannung gespiesen. Solche Anordnungen eignen sich speziell finir einen kleineren Messbereich, wie er beispielsweise für Regelzwecke erforderlich ist, das heisst in Fällen, wo der Indikator als Relais verwendet wird. Entsprechende Anord nungen können für Mehrphasensysteme getroffen werden.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Verwendung in einem symmetrisch belasteten Dreiphasensystem mit drei oder vier Leitern. Die drei Phasenleiter sind mit 6A, 6B und 6C bezeiehnet und der eventuell vorhandene Nullleiter mit 7. Die Anordnung umfasst einen Spannungswandler 20 mit den in Stern gesehalteten Primärwicklungen und den in Stern geschalteten Sekundärwicklungen 21A, 21B und 21C. Der Indikator ist ein solcher vom Einphasentyp, dessen Spannungsspule 1 von den Sekundärwicklungen 21A und 21C ge spiesen wird, während die Stromspule 2 in Serie mit der Arbeitswicklung des magnetischen Verstärkers gelegt ist, die von den Sekundärwicklungen 21A und 21B erregt wird.
Der Gleichrichter R ist dreiphasig, und die Steuerwicklung des magnetischen Verstärkers wird über diesen Gleichrichter von den drei Stromwandlern 10A, 10B und IOC gespiesen.
Nach üblicher Praxis werden bei Dreiphasen Dreileitersystemen nur zwei Wandler benötigt, da der Strom in einem Phasenleiter jederzeit gleich der Vektorsumme der Ströme in den beiden andern Phasen ist.
Bei dieser Anordnung ist der Steuerstrom des magnetischen Verstärkers proportional der Summe der einzelnen Phasenströme der Hauptleiter, so dass der durch die Spule 2 des Indikators fliessende Strom ebenfalls proportional zu dieser Summe ist, weshalb der Indikator auf die Summe der Scheinleistungen der einzelnen Phasen anspricht.
In Fig. 2 ist ein spezielles Phasenverhältnis für die Ströme in der Spanomgs-lmd Stromspule des Indikators angenommen ; es ist aber klar, dass die Anschlüsse der Wicklungen an die Phasen 6A, 6B und 6C anders sein können und dass sich bei andern Anordnungen andere Phasenverhältnisse als günstig erweisen können.
Bei einer Variante zur Anordnung nach Fig. 2 sind die drei Sekundärwicklungen des Stromwandlers über drei Gleichrichter miteinander parallel und mit der Wicklung 3 in Serie geschaltet, so dass die Spule 2 wiederum in Funktion der Summe der einzelnen Phasenströme gespiesen wird.
Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, bei welcher der magnetische Verstärker drei separate Steuerwicklungen 3A, 3B und 3C besitzt, die über die Gleichrichter RA, RB und RC mit den drei Stromwandlern 10A, 10B und 10C verbunden sind. Auch in diesem Fall ist die resultierende Erregung propor tional der Summe der verschiedenen Phasenströme.
Die mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene Anordnung ist ebenfalls verwendbar, wenn drei Leiter 6A, 6B und 6C oder eine beliebige andere Anzahl Leiter in getrennten einphasigen Stromkreisen mit gleicher Spannung betrieben werden, an die die Messspule angeschlossen ist.
Die Einriehtmg spricht dann auf die Summe der Voltampere oder Voltamperestunden sämtlicher Stromkreise wie 6A, 6B und 6C in ähnlicher Weise an wie in Fig. 3 auf die Summe der Phasenströme.
In Mehrphasenanlagen kann ein Zweiphasenindikator verwendet werden, bei dem die beiden Stromspulen in Ausgangskreisen zweier magnetischer Verstärker liegen, deren Steuerwicklungen in Übereinstimmung mit den Strömen in zwei Phasen erregt werden. Die Anschlüsse der Spannungsspulen müssen dabei naeh den Regeln vorgenommen. werden, die für die Zweiphasen-Wattmeter-Messmethode gelten, mit der bei symmetrischer und unsym- metrischer Belastung gemessen werden kann.
Daraus wird ersichtlich, dass die Spulen eines Wattmeters oder kWh-Zählers und des magnetischen Verstärkers oder einer Mehrzahl magnetischer Verstärker allgemein so angeord- net werden können, dass die Erregung der Indikatorspulen nach einer der allgemein bekannten Messmethoden erfolgen kan, um die erforderliche Abhängigkeit von Strom und Spannung in einem oder mehreren einphasi- gen oder einem mehrphasigen Kreis zu erreiehen.
Die magnetischen Verstärker sind beispiels- weise in den Fig. 1, 2 und 3 mit zwei Aus gangswicklungen (Arbeitswicklungen) 4 und 5 gezeigt, die mit zwei magnetischen Kreisen gekoppelt sind, die, wie in den Beispielen ge zeigt ; zu einem einzigen dreise. henkligen Ma- gnetkern mit einem mittleren Schenkel, der für die beiden magnetischen Kreise gemein- sam ist, zusammengefasst sind.
Bekanntlieh ist das Arbeiten des Indika- tors von der Wellenform des durch seine Win- dungen geleiteten Erregerstromes abhängig, Weiter ist bekannt, da der Ausgangsstrom eines magnetischen Verstärkers eine Wellenform erhält, die von der magnetischen Cha rakteristik des Verstärkers abhängt, und dass der Wechselstrom in jeder Ausgangswieklung dahin neigt, jeweils in der einen Halbwelle einen spitzen Verlauf und in der andern Halbwelle einen abgeflaehten Verlauf zu erhalten.
Die beiden Arbeitswicklungen 4 und 5 können hinsichtlich des Wicklungssinnes gleiehsinnig (parallel)-wie in den Figuren gezeigt-oder gegensinnig angeschlossen werden, so dass die Ausgangsstrome in den beiden Windungen ihren spitzen Verlauf in der gleichen oder in versehiedenen Halbwellen eines Zyklus'erhalten.
So kann eine gewisse Beeinflussung der AVell : enform des Stromes in der Indikatorspule 2 erreicht und-falls er wünscht-durch einen oder mehrere Durchlass oder Sperrkreise erhöht werden, das heisst durch Serie-oder Parallelresonanzkreise, die auf eine oder mehrere Harmonische des Stromes des magnetischen Verstärkers abgestimmt und in Serie oder parallel zur Indikatorspule 2 geschaltet sind. Statt der abgestimmten Sperr- oder Durchlasskreise können auch einfache Blockkondensatoren oder Drosseln für den gleichen Zweek verwendet werden.
Bei einer erfindungsgemässen Anordnung wird der Indikator, zum Beispiel ein Wattmeter oder Wattstundenzähler, mit einem Lei stungsfaktor betrieben, der vom Leistungsfak- tor des Hauptstromkreises unbeeinflusst ist, da der Strom beider Spulen des Indikators von der gleichenStromquelleodervonStrom- quellen mit bestimmter Phasenbeziehung her zugeführt wird, die von derjenigen zwischen Strom und Spannung des durch die Messung zu erfassenden Stromkreises unabhängig ist.