Messwandler
Die Erfindung betrifft einen Messwandler mit einem mehrphasigen oder mehreren einphasigen magnetischen Kreisen, einer aus mehreren elektrisch miteinander verbundenen Spulen bestehenden Primärwicklung und einer aus mehreren Spulen bestehenden Sekundärwicklung, welche mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelt ist.
Dieser Messwandler kann beispielsweise einen dreiphasigen oder drei einphasige magnetische Kreise haben.
Ein solcher Messwandler wird z. B. bei Energieund Leistungsmessungen an mehrphasigen Hochspannungsnetzen angewandt, wobei die Phasenströme und die Phasenspannungen Faktoren der zu bestimmenden Energie bzw. Leistung sind. In diesem Zusammenhang wird auf den Erweiterten Sonderdruck aus ATMV 3416-1 (Lieferung 229, Februar 1955) von der Firma Siemens-Schuckertwerke AG hingewiesen, in dem von S. Franck in einem Artikel Zählung der Drehstromarbeit in Hochspannungsnetzen > > eine Untersuchung der Energieverteilung in einem solchen Netz und die bei genauen Messungen dabei auftretenden Probleme beschrieben worden ist.
Dabei wird die Hochspannung einem Messwandler zugeführt, dessen Primärwicklung und Sekundärwicklung sterngeschaltet sind, wobei die für Messzwecke bestimmten Sekundärspannungen von Sekundärspulen geliefert werden, welche mit zugehörigen, sterngeschalteten, an das zu messende Hochspannungsnetz angeschlossene Primärspulen unmittelbar magnetisch gekoppelt sind. Ein sekundärer Sternpunkt ist durch die galvanische Verbindung der drei Sekundärspulen gebildet. Bei Messungen der in einer Sekundärspule durch magnetische Kopplung mit einer Primärspule erregten Spannung kann jedoch infolge der im Eisen auftretenden magnetischen Sättigung ein Prozentsatz der dritten Harmonischen vorhanden sein, der ziemlich hoch ist und in manchen Fällen 20% des Messwertes betragen kann.
Dagegen zeigt eine Messung der Linienspannung zwischen zwei in ihrem Sternpunkt miteinander und mit der dritten Sekundärspule verbundenen, freien Spulenenden praktisch keine dritte Harmonische, weil im sekundären Sternpunkt ein Ausgleich der in den zwei betreffenden Sekundär spulen induzierten dritten Harmonischen stattfindet. Diese zusammengesetzte Linienspannung wird jedoch nur selten für die Messung benützt. Für die Messung wird vorzugsweise eine Spannung verwendet, welche proportional zur primären Phasenspannung des Netzes ist und die Richtung dieser Phasen spannung hat, jedoch einen Prozentsatz der wie oben beschrieben entstandenen, dritten Harmonischen enthält.
Zur Beschränkung der infolge der höheren Harmonischen bei der Messung auftretenden Ungenauigkeiten wurde öfters versucht, das Messinstrument, welches jedoch ebenfalls magnetische Sättigungsphänomene zeigen kann, in seinen einzelnen Phasen zu korrigieren. Eine solche Korrektur komplizierte jedoch die Messungen und es war dann nicht mehr möglich, die einzelnen Messinstrumente auszutauschen.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu beseitigen, indem sie einen Messwandler der eingangs erwähnten Art schafft, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die Spulen der Primärwicklung in Polygon geschaltet sind, und die Spulen der Sekundärwicklung eine der Anzahl der Primärphasen entsprechende Anzahl Paare bilden, und dass eine Spule jedes dieser Sekundärspulenpaare mit einer und die andere Spule mit der anderen derjenigen Primärspulen unmittelbar magnetisch gekoppelt ist, die an dem Eckpunkt des Primärspulen-Polygons, der dem betreffenden Sekundärspulenpaar zugeordnet ist, miteinander verbunden sind, und dass beide Spulen jedes Sekundärspulenpaares so dimensioniert und miteinander in Reihe geschaltet sind, dass die im betreffenden Sekundärspulenpaar erregte Summen-Spannung proportional der virtuellen,
primären Phasenspannung im zugeordneten Eckpunkt des Primärspulen-Polygons ist und die Richtung dieser Phasenspannung hat.
Durch diese Ausbildung des Messwandlers wird der Vorteil erreicht, dass die sekundäre Spannung nicht als Phasen spannung, in welcher ein hoher Prozentsatz der dritten Harmonischen auftritt, abgenommen, sondern durch Zusammensetzung zweier verketteter Spannungen so gebildet wird, dass sie praktisch keine dritte Harmonische durch nichtlineare Magnetisierungserscheinungen enthält. Es erübrigt sich somit eine Korrektur der in den einzelnen Phasen eingeschalteten Messgeräte.
Da die Sekundärspulen eines Spulenpaares unmittelbar mit den Primärspulen magnetisch gekoppelt sind, und die in diesen Sekundärspulen induzierte Spannung manchmal in bezug auf einen Eckpunkt des primären Spannungspolygons gemessen werden soll, ist es von Vorteil, in solchen Fällen den erfindungsgemässen Messwandler teilweise als Autotransformator auszubilden. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher eine der Spulen wenigstens eines der Sekundärspulenpaare durch wenigstens einen Teil der mit dieser Spule magnetisch gekoppelten Primärspule gebildet. Dies geschieht vorzugsweise, wenn die zu erzeugende Messspannungen in derselben Grössenordnung wie die zu bestimmende, primäre Phasenspannung liegt.
Wenn im Falle der Verwendung eines auf diese Weise als Autotransformator ausgeführten, erfindungsgemässen Messwandlers die zu erzeugende Messspannung genau gleich der erwähnten primären Phasenspannung sein muss, welche Bedingung an sich erfüllt wird, wenn ein Übersetzungsverhältnis von 1 : 3 zwischen den Sekundärspulen und den mit diesen Spulen induktiv gekoppelten Primärspulen gewählt wird, haben alle freien Enden der Paare der Sekundärspulen das Potential, so dass diese Enden miteinander zu einem Sekundärsternpunkt des Messwandlers vereinigt werden können, der durch die Paare der Sekundärspulen galvanisch mit den Eckpunkten des primären Spannungspolygons verbunden ist.
Wenn in einem Elektrizitätswerk oder in einem Labor schon eine Messanlage vorhanden ist, welche einen üblichen Messwandler enthält, dessen Sekundärwicklungen mit einem Ende je an einen Pol eines der Messinstrumente angeschlossen sind, kann vorteilhaft ein erfindungsgemässer Messwandler als Hilfswandler verwendet werden, indem an jedes der genannten Enden der Sekundärwicklungen des anderen Messwandlers (A) ein Primärwicklungspol und ein Ende eines Sekundärspulenpaares des Hilfswandlers (B) und an den anderen Pol jedes Messinstruments das andere Ende des betreffenden Sekundärspulenpaares des Hilfswandlers (B) angeschlossen wird.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Spannungs-Diagramm eines Messwandlers nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Schaltschema eines erfindungsgemässen Messwandlers, und
Fig. 3 ein Schaltschema einer Messanlage mit einem vorhandenen Messwandler A und damit einseitig verbundenen Messinstrumenten, bei welcher ein nachgeschalteter Messwandler B nach der Erfindung als Hilfswandler verwendet ist.
In Fig. 1 sind mit R, S und T die an die Primärwicklung eines dreiphasigen Messwandlers (oder an die Primärwicklung von drei einphasigen Messwandlern) angeschlossenen Spannungen bezeichnet, deren Phasenspannungen O-R, O-S und O-T bestimmt werden müssen. Die in Dreieck geschalteten Primärspulen t, r und s des Messwandlers werden von den Linienspannungen R-S, S-T und T-R gespeist und sind frei von einer in jeder der primären Phasenspannungen O-R, O-S und O-T eventuell enthaltenen, von der Spannungsquelle (z. B. der in Stern- oder offener V) Schaltung geschalteten Sekundärwicklung eines Anpassungstransformators) herrührenden dritten Harmonischen. Mit den Primärspulen t, r und s sind Sekundärspulen t', t", r', r", s' und s" unmittelbar magnetisch gekoppelt.
Diese Sekundärspulen sind paarweise reihengeschaltet und bilden die Paare r' und t", t' und s", s' und r". Das Übersetzungsverhältnis zwischen den Sekundärspulen eines Paares und den mit diesen Spulen gekoppelten Primärspulen ist dasselbe, so dass t' s" r' t" s' r" = - und t s r t s r
Die von diesen Sekundärspulenpaaren erzeugten, zusammengesetzten Spannungen eR, es und eT haben je die Richtung der Mittellinien im Eckpunkt R, S bzw. T des primären Spannungspolygons RST. Die Grösse der Spannungen eR, es und ep, deren Phase gleich oder entgegengesetzt gleich der Phase der primären Phasenspannungen O-R, O-S bzw.
O-T ist, ist durch die (je Spulenpaar einander gleichen) über- setzungsverhältnisse zwischen den Sekundärspulen und den mit diesen unmittelbar magnetisch gekoppelten Primärspulen, r, s und t bestimmt. Für Übersetzungsverhältnisse, die kleiner, gleich oder grösser als 1 : 3 sind, ist die in einem Paar sekundärer Spulen erzeugte Spannung kleiner als, ebenso gross wie oder grösser als die zu bestimmende, primäre Phasen spannung. Dies ermöglicht es, einen dem Messbereich einer schon existierenden Messanlage entsprechenden Messwert zu wählen. Die in dieser Weise erzeugten Messspannungen, deren Stromkreise noch gegen jeden einzelnen Spannungspunkt des primären Spannungspolygons isoliert sind, sind proportional zu den virtuellen, primä ren Phasenspannungen und haben die Phase derselben.
Fig. 2 zeigt wie die zusammengesetzten Sekundärspannungen eR, es und eT eines erfindungsgemässen Messwandlers für Messzwecke verwendet werden können. Dabei ist es möglich, die drei Messkreise entweder in einem Punkt miteinander zu verbinden, wie mit gestrichelten Linien dargestellt, oder jeden dieser Messkreise an einem Ende an einen der primären Spannungspunkte R, S oder T des Messwandlers anzuschliessen. Im ersteren Falle können die Messkreise in ihrem Verbindungspunkt geerdet werden.
Wenn die Übersetzungsverhältnisse zwischen allen Sekundärspulen und den unmittelbar mit diesen magnetisch gekoppelten Primärspulen 1 : 3 betragen, so dass die Messwerte eR, es bzw. er gleich den virtuellen, zu bestimmenden, primären Phasenspannungen O-R, O-S und O-T sind, ist es möglich, die drei Messkreise sowohl an einem Ende miteinander zu verbinden, als auch am anderen Ende an die betreffenden primären Spannungspunkte R, S bzw. T anzuschliessen.
Es ist ersichtlich, dass, wenn eine der Sekundärspulen eines Paares mit einer bestimmten Primärspule unmittelbar magnetisch gekoppelt und überdies an einem Ende mit einem Spannungspurikt der diesbezüglichen Primärspule verbunden ist, die betreffende Sekundärspule mit der Primärspule ein Ganzes bilden kann, in welchem Falle der Messwandler zum Teil als Autotransformator ausgeführt ist.
In Fig. 3 ist schematisch eine Schaltung einer Messanlage dargestellt, welche sowohl einen Messwandler A und einpolig an diesen angeschlossene Messinstrumente als auch einen an eine solche, bestehende Anlage nachträglich hinzugeschalteten Hilfswandler B erfindungsgemässer Konstruktion hat. Dabei ist angenommen, dass der Messwandler A wie üblich Stern Stern geschaltet ist. Wenn der Sternpunkt der Sekundärwicklung des Messwandlers A als zweiter, gemeinsamer Messpunkt für die drei Messinstrumente verwendet werden würde, was bisher meistens der Fall war, würde jede der gemessenen, sekundären Phasenspannungen einen ziemlich hohen Prozentsatz der dritten Harmonischen enthalten.
Auch wenn die drei Messinstrumente getrennt vom sekundären Sternpunkt des Messwandlers zusammen zu einem zweiten Messpunkt verbunden werden, ist es möglich, dass infolge nicht-linearer Eigenschaften der einzelnen Messinstrumente keine richtige Anzeige erfolgt, und dass ausserdem bei Leistungsmessungen die Summe der in der beschriebenen Weise bestimmten Phasenleistungen nicht ausreichend genau ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Messwandler A auch in sog. offener V Schaltung ausgeführt sein kann. Das oben Bemerkte trifft dann ebenfalls zu.
Durch Nachschaltung eines Messwandlers nach der Erfindung als Hilfswandler ist es möglich, für jedes der einzelnen Messinstrumente einen zweiten Messpunkt zu schaffen, wobei praktisch keine dritte Harmonische mehr auftritt, und die erwähnte Ungenauigkeit vermieden wird. Aus Fig. 3 ist zu ersehen in welcher Weise die Spannungen eB, es und eT im Hilfswandler B erzeugt werden. Die Paare sekundärer Spulen sind an einem Ende, zusammen mit einem Primäranschluss, an die Sekundärwicklung des Messwandlers A, dem der Hilfswandler zugeordnet ist, angeschlossen, wobei sie an ihrem < freien Ende je einen zweiten Messpunkt für die einzelnen Messinstrumente bilden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind die Messspannungen eR, es und er kleiner als die zu bestimmenden, virtuellen, primären Phasen spannungen O-R, O-S und O-T, weil vorausgesetzt ist, dass die Messinstrumente einen niedrigeren Messbereich haben als der Phasenspannungshöchstwert. Wenn dieser Messbereich dagegen die zu messenden Phasenspannungen übertreffen würde, dann ist es durch Verwendung eines höheren Transformierungsverhältnis als 1 3 möglich, entsprechend grössere Messwerte zu er- zeugen. Wenn das diesbezügliche Übersetzungsverhältnis jeder Sekundärspule zur unmittelbar mit ihr gekoppelten Primär spule gleich 1 : 3 gewählt wird, ist die Messspannung eR, es bzw. er genau gleich der virtuellen Phasenspannung O-R, O-S bzw.
O-T, so dass die drei Sekundärspulenpaare des Hilfswandlers B an ihren freien Enden einen gemeinsamen, neuen Sternpunkt bilden, der als gemeinsamer, zweiter Messpunkt für die Messinstrumente dienen kann.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Verwendung des erfindungsgemässen Wandlers als Hilfswandler ist letzterer als Autotransformator ausgeführt. Dies ist nicht notwendig. Auch rein magnetisch mit der Primärwicklung gekoppelte und mit einem primären Eck- punkt galvanisch verbundene Paare sekundärer Spulen können zu selben Zweck verwendet werden.
Transducer
The invention relates to a measuring transducer with a polyphase or several single-phase magnetic circuits, a primary winding consisting of several electrically connected coils and a secondary winding consisting of several coils which is magnetically coupled to the primary winding.
This transducer can, for example, have one three-phase or three single-phase magnetic circuits.
Such a transducer is z. This is used, for example, for energy and power measurements on multiphase high-voltage networks, with the phase currents and phase voltages being factors in the energy or power to be determined. In this context, reference is made to the extended reprint from ATMV 3416-1 (delivery 229, February 1955) from Siemens-Schuckertwerke AG, in which S. Franck in an article Counting three-phase work in high-voltage networks>> an investigation of the energy distribution in such a network and the problems associated with precise measurements have been described.
The high voltage is fed to a measuring transducer, the primary winding and secondary winding of which are star-connected, the secondary voltages intended for measuring purposes being supplied by secondary coils which are directly magnetically coupled to associated, star-connected primary coils connected to the high-voltage network to be measured. A secondary star point is formed by the galvanic connection of the three secondary coils. However, when measuring the voltage excited in a secondary coil by magnetic coupling with a primary coil, there may be a third harmonic percentage due to the magnetic saturation that occurs in the iron, which is quite high, and in some cases 20% of the reading.
On the other hand, a measurement of the line voltage between two free coil ends connected to one another at their neutral point and to the third secondary coil shows practically no third harmonic because the third harmonic induced in the two secondary coils concerned is compensated at the secondary neutral point. However, this composite line voltage is only rarely used for the measurement. For the measurement, a voltage is preferably used which is proportional to the primary phase voltage of the network and has the direction of this phase voltage, but contains a percentage of the third harmonic produced as described above.
In order to limit the inaccuracies that occur during the measurement as a result of the higher harmonics, attempts have often been made to correct the individual phases of the measuring instrument, which, however, can also show magnetic saturation phenomena. Such a correction, however, complicated the measurements and it was then no longer possible to exchange the individual measuring instruments.
The aim of the invention is to eliminate these disadvantages by creating a transducer of the type mentioned in the opening paragraph, which is characterized in that the coils of the primary winding are connected in polygons and the coils of the secondary winding form a number of pairs corresponding to the number of primary phases, and that one coil of each of these secondary coil pairs is directly magnetically coupled to one and the other coil to the other of those primary coils which are connected to one another at the corner point of the primary coil polygon that is assigned to the relevant secondary coil pair, and that both coils of each secondary coil pair are dimensioned accordingly and are connected in series so that the total voltage excited in the relevant secondary coil pair is proportional to the virtual,
primary phase voltage in the assigned corner point of the primary coil polygon and has the direction of this phase voltage.
This design of the transducer has the advantage that the secondary voltage is not taken as a phase voltage in which a high percentage of the third harmonic occurs, but is formed by combining two linked voltages in such a way that there is practically no third harmonic due to non-linear magnetization phenomena contains. There is therefore no need to correct the measuring devices that are switched on in the individual phases.
Since the secondary coils of a coil pair are magnetically coupled directly to the primary coils, and the voltage induced in these secondary coils is sometimes to be measured in relation to a corner point of the primary voltage polygon, it is advantageous in such cases to partially design the transducer according to the invention as an autotransformer. According to a preferred embodiment of the invention, therefore, one of the coils of at least one of the secondary coil pairs is formed by at least part of the primary coil magnetically coupled to this coil. This is preferably done when the measurement voltages to be generated are in the same order of magnitude as the primary phase voltage to be determined.
If, in the case of using a transducer according to the invention designed in this way as an autotransformer, the measurement voltage to be generated must be exactly the same as the aforementioned primary phase voltage, which condition is met when a transformation ratio of 1: 3 between the secondary coils and those with these coils inductively coupled primary coils is selected, all free ends of the pairs of secondary coils have the potential so that these ends can be combined to form a secondary star point of the transducer, which is galvanically connected to the corner points of the primary voltage polygon through the pairs of secondary coils.
If a measuring system is already available in a power station or in a laboratory, which contains a conventional measuring transducer, the secondary windings of which are connected with one end to a pole of one of the measuring instruments, a measuring transducer according to the invention can advantageously be used as an auxiliary transducer by connecting to each of the named Ends of the secondary windings of the other transducer (A) have a primary winding pole and one end of a secondary coil pair of the auxiliary transducer (B) and the other end of the relevant secondary coil pair of the auxiliary transducer (B) is connected to the other pole of each measuring instrument.
Some embodiments of the invention are shown in the drawing.
In the drawing shows:
1 shows a voltage diagram of a measuring transducer according to the invention,
2 shows a circuit diagram of a measuring transducer according to the invention, and
3 shows a circuit diagram of a measuring system with an existing measuring transducer A and measuring instruments connected to it on one side, in which a downstream measuring transducer B according to the invention is used as an auxiliary transducer.
In Fig. 1, R, S and T denote the voltages connected to the primary winding of a three-phase transducer (or to the primary winding of three single-phase transducers) whose phase voltages O-R, O-S and O-T must be determined. The delta-connected primary coils t, r and s of the transducer are fed by the line voltages RS, ST and TR and are free from any of the voltage sources (e.g. the voltage source in each of the primary phase voltages OR, OS and OT) Star or open V) connection connected secondary winding of a matching transformer) resulting third harmonic. Secondary coils t ', t ", r', r", s' and s "are directly magnetically coupled to the primary coils t, r and s.
These secondary coils are connected in series in pairs and form the pairs r 'and t ", t' and s", s 'and r ". The transmission ratio between the secondary coils of a pair and the primary coils coupled to these coils is the same, so that t' s" r 't "s' r" = - and tsrtsr
The composite voltages eR, es and eT generated by these secondary coil pairs each have the direction of the center lines in the corner point R, S and T of the primary voltage polygon RST. The magnitude of the voltages eR, es and ep, the phase of which is equal or opposite to the phase of the primary phase voltages O-R, O-S or
O-T is determined by the transmission ratios (which are identical for each coil pair) between the secondary coils and the primary coils, r, s and t, which are directly magnetically coupled to them. For transmission ratios that are less than, equal to or greater than 1: 3, the voltage generated in a pair of secondary coils is less than, as large as or greater than the primary phase voltage to be determined. This makes it possible to select a measured value that corresponds to the measuring range of an existing measuring system. The measurement voltages generated in this way, the circuits of which are still isolated from each individual voltage point of the primary voltage polygon, are proportional to the virtual, primary phase voltages and have the same phase.
FIG. 2 shows how the combined secondary voltages eR, es and eT of a measuring transducer according to the invention can be used for measuring purposes. It is possible to either connect the three measuring circuits to one another at one point, as shown with dashed lines, or to connect each of these measuring circuits at one end to one of the primary voltage points R, S or T of the transducer. In the former case, the measuring circuits can be grounded at their connection point.
If the transmission ratios between all secondary coils and the primary coils magnetically coupled directly with them are 1: 3, so that the measured values eR, es or he are equal to the virtual primary phase voltages OR, OS and OT to be determined, it is possible to to connect three measuring circuits to each other at one end and to connect them to the relevant primary voltage points R, S or T at the other end.
It can be seen that if one of the secondary coils of a pair is directly magnetically coupled to a certain primary coil and, moreover, is connected at one end to a voltage trace of the relevant primary coil, the relevant secondary coil can form a whole with the primary coil, in which case the transducer for Part is designed as an autotransformer.
In Fig. 3 a circuit of a measuring system is shown schematically, which has both a measuring transducer A and single-pole measuring instruments connected to it as well as an auxiliary transducer B of the invention that is subsequently connected to such an existing system. It is assumed that the transducer A is connected star-star as usual. If the neutral point of the secondary winding of transducer A were used as the second, common measuring point for the three measuring instruments, which has mostly been the case up to now, each of the measured, secondary phase voltages would contain a fairly high percentage of the third harmonic.
Even if the three measuring instruments are connected to a second measuring point separately from the secondary neutral point of the measuring transducer, it is possible that, due to non-linear properties of the individual measuring instruments, there is no correct display and, moreover, that the sum of the values determined in the manner described in power measurements Phase performance is not sufficiently accurate. It should be noted that the transducer A can also be designed in what is known as an open V circuit. The above remark then also applies.
By connecting a measuring transducer according to the invention as an auxiliary transducer, it is possible to create a second measuring point for each of the individual measuring instruments, with practically no third harmonic occurring any more and the aforementioned inaccuracy being avoided. From Fig. 3 it can be seen in which way the voltages eB, es and eT in the auxiliary converter B are generated. The pairs of secondary coils are connected at one end, together with a primary connection, to the secondary winding of the measuring transducer A, to which the auxiliary transducer is assigned, whereby they each form a second measuring point for the individual measuring instruments at their free end.
In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the measuring voltages eR, es and er are smaller than the virtual, primary phase voltages O-R, O-S and O-T to be determined, because it is assumed that the measuring instruments have a lower measuring range than the maximum phase voltage value. If, on the other hand, this measuring range would exceed the phase voltages to be measured, then by using a transformation ratio higher than 1 3 it is possible to generate correspondingly larger measured values. If the relevant transmission ratio of each secondary coil to the primary coil directly coupled to it is selected equal to 1: 3, the measurement voltage eR, es or he is exactly equal to the virtual phase voltage O-R, O-S or
O-T, so that the three secondary coil pairs of the auxiliary transducer B form a common, new star point at their free ends, which can serve as a common, second measuring point for the measuring instruments.
When the converter according to the invention is used as an auxiliary converter as shown in FIG. 3, the latter is designed as an autotransformer. This is not necessary. Pairs of secondary coils that are purely magnetically coupled to the primary winding and galvanically connected to a primary corner point can also be used for the same purpose.