Einrichtung zum Messen der Abweichung des Mittelwertes von Wechselspannungen oder -strömen von einem Bezugswert
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Abweichung des Mittelwertes von Wech sel spannungen oder -strömen von einem Bezugswert nach Richtung und Grösse, deren an eine elektrische Last angelegte Ausgangsspannung von der veränderlichen Eingangsspannung der Messeinrichtung abhängig ist. Der Bezugswert kann auch Null sein.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Messeinrichtung hoher Empfindlichkeit bei geringstem technischem Aufwand und kleinstem Verbrauch.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Ausschaltung des Temperatureinflusses auf das Arbeiten der Messeinrichtung. Die Lösung besteht darin, dass an die elektrische Last die Differenz der Gleichstromausgangsgrössen zweier Gleichrichteranordnungen angelegt ist, von denen die erste Gleichrichteranordnung eingangsseitig an die Sekundärwicklung eines von einer Eingangsspannung gesättigt betriebenen Sättigungstransformators und die zweite Gleichrichteranordnung eingangsseitig an die Reihenschaltung der Primärwicklung des Transformators mit der Eingangsspannungsquelle angeschlossen ist.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung nach der Erfindung,
Fig. 2 den Spannungsverlauf an verschiedenen Teilen der Messeinrichtung nach Fig. 1 während einer Wechselspannungsperiode,
Fig. 3 eine Darstellung des Verlaufes der verschiedenen Spannungen am Ausgang der Messeinrichtung nach Fig. 1 und
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung in schematischer Darstellung.
Gemäss Fig. 1 wird an einer mit einer Messeinrichtung 10 verbundenen Belastung 12 eine Gleichstromkomponente einer Ausgangsspannung hervorgerufen, die ihre Polarität entsprechend der Richtung der Abweichung einer Wechseleingangsspannung von einem Bezugswert oder Nullwert ändert. Die Grösse der Ausgangsspannung hängt von der Grösse der Abweichung ab. Die Wechseleingangsspannung wird von einer Quelle 14 geliefert. Im allgemeinen enthält die Messeinrichtung 10 einen Sättigungstransformator 16 und zwei Doppelweggleichrichter 18 und 20 in Brükkenschaltung mit Einzeigleichrichtem 18a, 18b, 18c, 18d und 20a, 20b, 20c und 20d.
Der Sättigungstransformator 16 enthält einen Eisenkern 22 mit vorzugsweise rechteckförmiger Hysteresisschleife, eine Primärwicklung 24 und eine Sekundärwicklung 26. Die Eingangsklemmen 28 und 28' des Gleichrichters 20 sind an die Sekundärwicklung 26 angeschlossen. Die Eingangsklemmen 30 und 30' des Gleichrichters 18 sind an die Reihenschaltung der Primärwicklung 24 mit der Wechselstromquelle 14 angeschlossen, und zwar ist die Eingangsklemme 30 des Gleichrichters 18 an die Klemme 32 der Wechselstromquelle 14 und das nicht mit der Eingangsklemme 30' verbundene Ende der Primärwicklung 24 an die Klemme 32' der Wechselstromquelle angeschlossen.
Um ein Mass für die durchscltniftliche Ausgangsspannung des Gleichrichters 18 zu erhalten, ist ein Widerstand, insbesondere ein Ohmscher Widerstand 34, an die Ausgangsklemmen 36 und 36' des Gleichrichters 18 angeschlossen. Um ferner ein Mass für die durchschnittliche Ausgangsspannung des Gleichrichters 20 und zusätzlich eine Temperaturunempfindlichkeit der Fehlermesseinrichtung 10 bei veränderlicher Umgebungstemperatur zu erhalten, ist ein Widerstand, vorzugsweise ein Ohmscher Widerstand 38, mit positivem Temperaturkoeffizienten an die Ausgangsklemmen 40 und 40' des Gleichrichters 20 angeschlossen.
Die Widerstände 34 und 38 sind so miteinander verbunden, dass die zwischen den Ausgangsklemmen 36' und 40' liegende Spannung ein Mass für die Differenz der an den Widerständen 34 und 38 auftretenden durchschnittlichen Einzelspannungen ist. Da die Belastung 12 an die Reihenschaltung der Widerstände 34 und 38 angeschlossen ist, ist sie von der Grösse der Differenz der einzelnen Gleichspannungen an den Widerständen 34 und 38 abhängig.
Die Arbeitsweise der Messeinrichtung 10 ist nachfolgend an Hand der Fig. 2 näher beschrieben. Wenn angenommen wird, dass die Klemme 32 der Quelle 14 gegenüber der Klemme 32' positiv ist, dann fliesst ein Strom von der Klemme 32 über den Gleichrichter 18a, den Widerstand 34, den Gleichrichter 1 8c und die Primärwicklung 24 des Sättigungstransformators 16 zur Klemme 32' der Wechselstromquelle 14. Dabei wird der Sättigungstransformator 16 in Sättigung gebracht, da die Grösse der Wechselspannung an den Klemmen 32 und 32' stets ausreicht, um den Eisenkern 22 während jeder Halbwelle im wesentlichen zu sättigen.
Die Primärwicklung 24 des Sättigungstransformators 16 hält weiterhin die Spannung aufrecht, solange der Sättigungstransformator gesättigt ist. Diese Spannung tritt an der Primärwicklung 24 vor der Sättigung während der in der Kurve 42 dargestellten einzelnen Halbwelle auf.
In Fig. 2 ist die Wechselspannung an den Klemmen 32 und 32' durch die Kurve 44 dargestellt. Die Eingangswechselspannung kann selbstverständlich jede beliebige Kurvenform haben.
Aus Fig. 2 geht hervor, dass, wenn der Transformator einmal im wesentlichen gesättigt ist, fast keine Spannung während des verbleibenden Teiles der Halbwelle an der Primärwicklung 24 auftritt. Daher tritt während des restlichen Teiles der Halbwelle die an den Eingangsklemmen 32 und 32'erscheinende Ausgangsspannung auch an den Eingangsklemmen 30 und 30' des Gleichrichters 18 auf. Die an den Klemmen 30, 30' auftretende Spannung während der ersten Halbwelle ist durch die Kurve 46 in Fig. 2 dargestellt. Wie aus den Kurven 42 und 46 entnommen werden kann, ist die Spannung an den Klemmen 32 und 32' auf die Primärwicklung 24 und die Eingangsklemmen 30 und 32' des Gleichrichters 18 aufgeteilt, bis der Transformator gesättigt ist.
Die Aufteilung der Spannung wird durch die Grösse des Widerstandes 34 und des an den Eingangskreis transformierten Widerstandes 38 bestimmt.
Die an der Sekundärwicklung 26 des Sättigungstransformators während der ersten Halbwelle auftretende Spannung ist in Kurve 48 dargestellt. Die Kurve 50 stellt die zugehörige an dem Widerstand 38 während der ersten Halbwelle auftretende Gleichspannung dar. Die Kurve 52 kennzeichnet den Gleichspannungsverlauf an dem Widerstand 34 während der nämlichen ersten Halbwelle. Die Differenz zwischen beiden Spannungen an den Widerständen 34 und 38 wird durch die Kurve 54 angegeben; sie entspricht der Differenz zwischen den Kurven 50 und 52.
Sobald die Messeinrichtung 10 auf ihrem Nullpunkt arbeitet, so dass die Grösse seiner Ausgangsspannung an der Belastung 12 im wesentlichen Null ist, dann sind die Flächen unter den zwei Teilstükken 56 und 58 der Kurve 54 einander gleich. Während der nächsten Halbwelle, wenn die Klemme 32' gegenüber der Klemme 32 positiv ist, fliesst ein Strom von der Klemme 32' über die Primärwicklung 24, den Gleichrichter 18b, den Widerstand 34, den Gleichrichter 1 8d zur Klemme 32.
Aus Fig. 2 kann entnommen werden, dass während der zweiten Halbwelle die Gleichspannungen an den Widerständen 34 und 38 nach Grösse und Polarität gleich den während der ersten Halbwelle auftretenden sind. Dagegen sind die Spannungen an der Primärwicklung 24, der Sekundärwicklung 26 und den Eingangsklemmen 30 und 30' des Gleichrichters 18 von entsprechend entgegengesetzter Polarität wie während der ersten Halbwelle.
Die Abhängigkeit der durchschnittlichen am Widerstand 38 auftretenden Gleichspannung von der Grösse der Wechseleingangsspannung geht aus der Kurve 60 in Fig. 3 hervor. Solange die Wechseleingangsspannung grösser als die dem Sättigungsknick der Kurve 60 entsprechende Spannung ist, bleibt die Spannung am Widerstand 38 im wesentlichen konstant. Die Flächen unter den der Primärwicklung 24 zugeordneten Spannungszeitkurven sind im wesentlichen gleich gross und unabhängig von der Eingangswechselspannung, da jedesmal der gleiche Magnetfluss zur Sättigung des Eisenkernes 22 notwendig ist.
In der Praxis ist es wichtig, dass der Sättigungstransformator eine flach verlaufende Sättigungskurve 60 besitzt, um eine möglichst hohe Empfindlichkeit der Messeinrichtung 10 zu erreichen.
Der Mittelwert der Gleichspannung an dem Widerstand 34 ändert sich mit der Grösse der Wechseleingangsspannung; diese Abhängigkeit ist durch die Kurve 62 dargestellt. Die Differenz der an den Widerständen 34 und 38 auftretenden Gleichspannungen, d. h. die Grösse der Gleichstromkomponente der an der Belastung 12 auftretenden Spannung in Ab hängigkeit von der Eingangswechselspannung, ist durch die Kurve 64 dargestellt. Wenn die Wechseleingangsspannung einen durch den Punkt 66 gekennzeichneten Wert hat, dann sind die Gleichspannungen an den Widerständen 34 und 38 gleich und an der Belastung 12 liegt keine Spannung. Der Punkt 66 ist der Nullpunkt der Messeinrichtung.
Wenn die Grösse der Wechseleingangsspannung auf einen niedrigeren Wert entsprechend dem Punkt 68 abnimmt, wird die Gleichspannung am Widerstand 34 kleiner als die am Widerstand 38, so dass die Belastung 12 von einem von der Klemme 40' zur Klemme 36' gerichteten Gleichstrom durchflossen wird, d. h. Klemme 40' ist positiv gegen Klemme 36'. Bei einer solchen Abnahme der Eingangswechselspannung wird die Fläche unterhalb der Teilkurve 58 kleiner als die unter der Teilkurve 56 in Fig. 2.
Wenn die Wechseleingangsspannung dagegen auf einen Wert entsprechend dem Punkt 70 in Fig. 3 zunimmt, dann übersteigt die Gleichspannung am Widerstand 34 diejenige an dem Widerstand 38, so dass die Belastung 12 von Strom entgegengesetzter Richtung wie im obigen Fall durchflossen wird. Dabei wird die Fläche unter der Teilkurve 58 grösser als die unter der Teilkurve 56 (Fig. 2).
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Messeinrichtung dargestellt. Die den in der Fig. 1 dargestellten Teile entsprechenden Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der hauptsächliche Unterschied zwischen den beiden Ausführungsbeispielen besteht einerseits darin, dass in dem zweiten Ausführungsbeispiel ein temperaturabhängiger Widerstand 71 für Kompensationszwecke an einer anderen Stelle des Stromkreises eingeschaltet ist, und anderseits darin, dass anstelle der miteinander verbundenen Widerstände 34 und 38 voneinander galvanisch getrennte Spulen 72 und 74 vorgesehen sind, die an die Ausgangsklemmen des Gleichrichters 18 bzw. 20 angeschlossen sind. Die Spulen 72 und 74 dienen zur magnetischen Beeinflussung der Messeinrichtung 10.
Wenn die Spulen 72 und 74 auf einen nicht dargestellten Magnetverstärker wirken, sind die magnetomotorischen Kräfte beider Spulen einander entgegengesetzt. Der Kompensationswiderstand, insbesondere ein Ohmscher Widerstand 71, besitzt einen negativen Temperaturkoeffizienten und ist zwischen einer Eingangsklemme des Gleichrichters 20 und der Sekundärwicklung 26 des Transformators 16 angeordnet.
Auf diese Weise wird genau wie bei der Einrichtung nach Fig. 1 eine Unabhängigkeit der Messeinrichtung von Temperaturschwankungen der Umgebung erreicht.
Eine Temperaturkompensation kann auch durch einen entsprechenden Kompensationswiderstand mit positivem Temperaturkoeffizienten erreicht werden, wenn dieser zwischen der Klemme 32 und der Eingangsklemme 30 des Gleichrichters 18 angeordnet ist.
In diesem Falle kann der Widerstand 38 durch einen gewöhnlichen Widerstand ersetzt werden.
Bei der Einrichtung nach Fig. 4 kann in ähnlicher Weise der Widerstand 71 in Fortfall kommen, wenn ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten an der oben angegebenen Stelle in den Eingangskreis eingefügt ist. Ferner kann eine Temperaturunabhängigkeit der Messeinrichtung 10 nach Fig. 1 durch Einfügen eines Widerstandes mit negativem Temperaturkoeffizienten anstelle des Widerstandes 34 und Ersetzen des Widerstandes 38 durch einen normalen Widerstand erreicht werden.
Die neue Messeinrichtung hat gegenüber dem Bekannten eine Reihe von Vorteilen. So benötigen die Einrichtungen nach Fig. 1 und 4 nur einen geringen Kraftaufwand für eine bestimmte Empfindlichkeit, sie sind ferner sehr empfindlich und bestehen nur aus wenigen einfachen Schaltungselementen. Durch die Verwendung und Anordnung des Sättigungstransformators 16 wird ausserdem eine vorteilhafte galvanische Trennung zwischen den Eingängen der Gleichrichter 18 und 20 erreicht.