Scheinverbrauchsmessanordnung
Zur Bestimmung des Scheinverbrauchs von elektrischen Stromverbrauchern in Wechsel- oder Drehstromnetzen sind Anordnungen bekannt, bei denen durch Gleichrichter entweder die Wechselspannung oder der Wechselstrom des betreffenden Verbrauchers vor Zuführung zu einer Messeinrichtung gleichgerichtet wird. Durch die Gleichrichtung wird der Einfluss des Phasenwinkels zwischen der Wechselspannung und dem Wechselstrom ausgeschlossen, so dass durch die Bildung des Produktes von Strom und Spannung und der Integration über die Zeit bei der nachfolgenden Messung der Scheinverbrauch ermittelt wird.
Zur Scheinverbrauchsmessung können aber auch die Spannung und der Strom gleichgerichtet und die gleichgerichteten Grössen einem Gleichstromwattstundenzähler zugeführt werden. Eine solche Anordnung ist aber wegen des Kommutators des Gleich stromwattstundenzähiers unbefriedigend, und es wird deshalb einer Anordnung, bei der ein Wechselstrominduktionszähler Verwendung findet, vielfach der Vorzug gegeben. Bei dieser Messeinrichtung mit Wechselstrominduktionszähler liegt die Verbraucherwechselspannung an der Spannungsspule des Zählers, während der Wechselstrom nach Gleichrichtung eine Anordnung steuert, die ihrerseits einen dem Gleichstrom proportionalen Wechselstrom an die Stromspule des Zählers abgibt. Der Phasenwinkel des durch die Wechselspannung konstant, d. h. unabhängig vom Phasenwinkel des Verbrauchers.
Die zuletzt erwähnte Messeinrichtung ist zwar wegen des stabilen Induktionszählers vorteilhafter als die mit dem Gleichstromwattstundenzähler arbeitende Anordnung, sie ist aber auch verhältnismässig aufwendig und entspricht daher nicht mehr vollständig den heutigen Anforderungen.
Die Erfindung betrifft eine Scheinverbrauchsmessanordnung mit einem Induktionszähler, dessen Spannungs spule an der Verbraucherspannung liegt und dessen Stromspule über eine Umformeranordnung mit einem dem Verbraucherstrom proportionalen Wechselstrom versorgt wird, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Umformeranordnung aus Gleichrichtern und einer im Rhythmus der Verbraucherwechselspannung gesteuerten Transistorwechselrichteranordnung besteht.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung zur Anwendung in spannungsunsymmetrischen Drehstromnetzen werden drei Wechselrichter mit je einem zugeordneten, auf einen gemeinsamen Anker arbeitenden Induktionszählersystem verwendet und die den Wechselrichtern zugeführten Gleichströme über drei an je einer Phase angeschlossene Wandler mit nachgeschalteten Gleichrichtern erzeugt, wobei die Steuerung der Transistoren der Wechselrichter durch die zugeordnete Phasen spannung erfolgt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zur Anwendung in spannungssymmetrischen Drehstromnetzen ist nur ein Transistorwechselrichter und ein Einphaseninduktionszähler nötig. Der Verbraucherstrom wird über drei an je eine Verbraucherphase angeschlossene Wandler und nachgeschaltete Gleichrichter anordnungen dem Wechselrichter zugeführt. Die Steuerung der Transistoren erfolgt dabei durch eine verkettete Spannung des Drehstromnetzes.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung zur Anwendung in Einphasenwechs elstromnetzen ist ebenfalls nur ein Einphaseninduktionszähler und ein Transistorwechselrichter erforderlich und der Verbraucherstrom wird über einen Wandler der Gleichrichterwechselrichteranordnung zugeführt. Die Steue rung der Transistoren erfolgt durch die Wechselspannung.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung setzen sich die Wechselrichter aus vier Transistoren in an sich bekannter Schaltung zusammen, die mit Steuerwechselspannungen grosser Amplitude übersteuert werden. Die Steuerwechselspannungen besitzen gegenüber der Verbraucherwechselsp annung einen konstanten Phasenwinkel und sie werden von Sekundärwicklungen eines primärseitig an der Verbraucherspannung liegenden Transformators entnommen. Die Transistoren im Wechselrichter sind dabei mit Gleichrichtern überbrückt und die Wechselrichteranordnung liegt als Ganzes parallel zu einem nichtlinearen Haibleiterwiderstand.
An Hand der Zeichnung, die an zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung Anordnungen zur Bestimmung des Scheinverbrauchs für Drehstromnetze zeigt, sei die Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Scheinverbrauchsmessanordnung, für spannungssymmetrische Drehstromnetze, während Fig. 2 eine solche für spannungsunsymmetrische Netze wiedergibt.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind an die Phasen R, S, T des Drehstromnetzes über Wand ler 1, 2, 3 in Graetzschaltung angeordnete Gleichrichtersysteme 4, 5, 6 in Parallelschaltung angekoppelt.
Auf der Gleichstromseite dieser Anordnung liegt ein elektronischer Wechselrichter, der im wesentlichen aus den Transistoren 8 bis 11 besteht. Die Transistoren sind in einer Art Brückenschaltung angeordnet, in deren Mittelzweig die Stromspule eines Induktionszählers 12 angeschlossen ist. Zur Steuerung der Transistoren ist ein Transformator vorgesehen, dessen Primärwicklung 13 an den Phasen S, T des Netzes liegt. Die Sekundärwicklungen 14, 15, 16, 17 sind an den Emitter-Basis-Kreis jedes Transistors angeschlossen, und zwar für die Transistoren 9, 10 in einem entgegengesetzten Wicklungssinn als für die Transistoren 8, 11. Der Emitter < Kollektor-Kreis jedes Transistors ist durch einen Gleichrichter 18, 19, 20 oder 21 überbrückt.
Die Spannungsspule des Induktionszählers 12 liegt an den Phasen R, S des Netzes in Reihe mit der Primärwicklung 13 des Steuertransformators. Parallel zum Wechselrichter ist noch ein Glättungskondensator 7 und ein nicht linearer Widerstand 22 eingeschaltet.
Die in den Phasen R, S, T fliessenden Ströme werden in den Stromwandlern 1 bis 3 transformiert und in den Gleichrichteranordnungen 4 bis 6 gleichgerichtet. Mit Hilfe des Kondensators 7 wird der Summenstrom geglättet und der Wechselrichterschaltung zugeführt. Da die Sekundärwicklungen 14, 15 des Steuertransformators gegensinnig zu den Sekun därwicklungen 16, 17 an die Transistoren angeschlossen sind, sind die Steuerspannungen für die Transi- storen 9, 10 in der Phase um 1800 gegenüber den Steuerspannungen an den Transistoren 8, 11 versetzt, d. h. die Basen der Transistoren 9, 10 besitzen zu einem bestimmten Zeitpunkt negatives Potential, während die Basen der Transistoren 8, 11 auf positivem Potential in bezug auf die entsprechenden Emitter liegen oder umgekehrt.
Es sind also in der einen Halbwelle der Verbraucherspannung die Transistoren 8 und 11 und in der anderen Halbwelle die Transistoren 9 und 10 durchlässig. Der Gleichstromkreis ist somit für den Mittelzweig der Wechselrichterschaltung während der einen Halbwelle in der einen und während der anderen Halbwelle der Verbraucherspannung in der anderen Richtung geöffnet. Wegen der Induktivität der Stromspule des Induktionszählers sind die Gleichrichter 18 bis 21 vorgesehen, die für die Transistoren schädliche Spannungsspitzen, die beim Umschalten der Stromrichtung auftreten würden, unterdrücken. Diese Gleichrichter bewirken ausserdem, dass der Oberwellengehalt des Wechselrichterausgangsstromes klein ist und auch die Grundwelle dieses Stromes stärker der Steuerspannung nacheilt. Die Steuerspannung für die Transistoren ist so hoch gewählt, dass die Transistoren übersteuert werden.
Dadurch wird erreicht, dass die Emitter-Kollektor-Strecken ähnlich wie mechanische Schalter arbeiten.
Der Steuertransformator liegt primärseitig an einer Spannung, die gegenüber der Spannung an der Spannungsspule des Induktionszählers voreilt, so dass etwa eine Gleichphasigkeit von Zählerspannung und Grundwelle des Zählerstromes vorliegt. Fällt die Wechselspannung an der Primärwicklung 13 des Steuertransformators aus, so bleiben alle Transistoren gesperrt, und der Gleichstrom nimmt seinen Weg über den nichtlinearen Widerstand 22 (Gleichrichter in Durchlassrichtung, Zenerdiode, Halbleiterwiderstand), der somit die Transistoren des Wechselrichters vor Zerstörung schützt. Die Kennlinie des Widerstandes 22 muss natürlich so beschaffen sein, dass im normalen Betrieb kein Durchlass stattfindet.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind an die Phasen R, S, T eines Drehstromnetzes über Wandler 101, 102, 103 Gleichrichteranordnungen 104, 105, 106 in Graetzschaltung angeschlossen, auf deren Wechselstromseiten je ein Transistorwechselrichter liegt. Jeder Transistorwechselrichter besteht im wesentlichen aus den Transistoren 108, 108', 108" bis 111, 111', 111". Die Transistoren sind entsprechend der Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel geschaltet, d. h. sie bilden eine Art Brückenschaltung, in deren Mittelzweig jeweils die Stromspule eines Induktionszählersystems 112, 112', 112" liegt. Zur Steuerung der Transistoren sind Transformatoren 113, 113', 113" vorgesehen, deren Sekundärwicklungen in dem Emitter-Basis-Kreis jedes Transistors eingeschaltet sind.
Jeweils zwei diagonal angeordnete Transistoren jedes Wechselrichters sind so mit den Sekundärwicklungen verbunden, dass diese bezüglich des Anschlusses an den Emitter Basis-Kreis entgegengesetzten Wicklungssinn haben.
Von den Sekundärwicklungen des Transformators 113, die mit 1 13a bis 1 13d bezeichnet sind, besitzen die Wicklungen 11 3b und 11 3c einen Wicklungssinn, der dem der Wicklungen 1 13a und 1 13d entgegengesetzt ist. Entsprechendes gilt für die Transformatoren 113' und 113", bei denen die Wicklungen 113'b und
113'c bzw. die Wicklungen 113"b und 113"c entgegengesetzten Wicklungssinn wie die Wicklungen
113'a und 113'd bzw. 113"a und 113"d haben. Die nicht bezeichneten Gleichrichter, die den Emitter Kollektor-Kreis jedes Transistors überbrücken, sind zur Vermeidung von Spannungsspitzen da, die bei der Umschaltung der Transistoren infolge der Induktivität der Stromspulen der Zählersysteme auftreten.
Die Spannungsspulen der Zählersysteme liegen einerseits an den Phasen, an denen auch die Wandler für das betreffende System angeschlossen sind und andererseits am Mp-Leiter des Drehstromnetzes. Parallel zu den Wechselrichtern sind noch Glättungskondensatoren 114, 114', 114" sowie nichtlineare, im normalen Betrieb stromundurchlässige Widerstände 115, 115', 115" als Schutzwiderstände eingeschaltet.
Die Anordnung arbeitet wie die Messanordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel, jedoch mit dem Unterschied, dass der Verbraucherstrom jeder Phase gleichgerichtet und durch den Wechselrichter wieder zerhackt dem zugeordneten Induktionszählersystem zugeführt wird. Die in den Phasen R, S, T fliessenden Ströme werden also in den Stromwandlern 101 bis 103 transformiert und in den Gleichrichteranordnungen 104 bis 106 gleichgerichtet. Mit Hilfe der Kondensatoren 114, 114' und 114", werden die Gleichströme geglättet und den Wechselrichterschaltungen zugeführt.
Infolge der gegensinnigen Schaltung je zweier Sekundärwicklungen der Transformatoren 113, 113', 113" sind die Steuerspannungen dieser Wicklungen gegenüber den Steuerspannungen der anderen Wicklungen um 1800 in der Phase versetzt, so dass jeweils zwei Transistoren eines Systems geöffnet, die anderen hingegen geschlossen sind. Es sind also beispielsweise in der einen Halbwelle jeder Phasenspannung die Transistoren 109 und 110 bzw. 109' und 110' bzw. 109" und 110" durchlässig, während die restlichen Transistoren stromundurchlässig sind.
In jedem System ist also der Gleichstromkreis während der einen Halbwelle jeder Phasenspannung für den Mittelzweig der Wechselrichterschaltung in der einen und während der anderen Halbwelle der entprechenden Spannung in der anderen Richtung geöffnet. Die Stromspule jedes Zählersystems ist somit zu jedem Zeitpunkt vom Strom durchflossen und jedes Zählersystem misst daher den Scheinverbrauch für eine Phase. Die einzelnen Zählersysteme arbeiten auf einem gemeinsamen Anker, dessen Umdrehungszahl von einem angeschlossenen Zählwerk registriert wird. Als Zähler kann somit ein normaler Drehstromzähler verwendet werden, dessen einzelne Triebsysteme in der beschriebenen Weise angeschlossen werden.
Ausser der angegebenen speziellen Schaltung eignen sich auch andere bekannte Wechselrichterschal-- tungen für die vorliegende Aufgabe.
Die beschriebenen Anordnungen zur Bestimmung des Scheinverbrauchs haben den Vorteil, dass die Leiterströme des Drehstromsystems nach Gleichrichtung und anschliessender Wechselrichtung direkt dem Zähler zugeführt werden, ohne dass eine elektrische Anordnung zwischengeschaltet ist, die durch Nichtlinearitäten zusätzliche Schwierigkeiten bringen kann.