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Dynamometris cher Gleichstrom -Wechselstrom - Kompensator Für Wechselstrom
gibt es kein Normal der Spannung.
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Man hat daher verschiedene Verfahren entwickelt, den Effektivwert
eines zu messenden Wechselstromes durch einen äquivalenten Gleichstrom darzustellen.
Die Größe dieses Stromes wird dann im Anschluß an die Normale für Spannung und Widerstand
mit dem Gleichstromkompensator bestimmt. Eine zusammenfassende übers sicht über
diese Methoden hat Angersbach (F. Angersbach: Arch. techn. Messen V 3412-3 bis -5)
gegeben.
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Für die genaue Messung von Wechselspannungen, -strömen und Wechselstromleistungen
hat man früher das Quadrantenelektrometer verwendet, das sich jedoch wegen seiner
schwierigen Justierung und umständlichen Handhabung nicht in die Praxis eingeführt
hat. Andere für den Gleichstrom-Wechselstrom-Vergleich entwickelten Geräte beruhen
auf thermischer Grundlage. Im Prinzip wird hierbei ein Widerstand nacheinander mit
Gleichstrom und Wechselstrom geheizt und die dabei auftretenden Temperaturen miteinander
verglichen. Als Indikator verwendet man hierfür Thermoelemente (W. Rump: Elektrotechnik,
Bln. 5 [1951], S. 64), Photozellen (R. Sewig und G. Werkmeister: Z. Tech. Phys.,
22 j1941], S. 248) oder Halbleiterwiderstände (H.-J. Schrader: Elektrotech. Z. A.,
73 [1952], S. 547). Diesen Verfahren haften aber zwei Nachteile an: Erstens erfolgt
der Vergleich der Ströme nicht unmittelbar gleichzeitig, und zweitens bedingt die
thermische Trägheit der Heizwiderstände bei jeder Messung eine Wartezeit, in der
sich das thermische Gleichgewicht wiedereinstellt. Es ist daher sehr schwierig,
mit solchen Geräten einen vorgegebenen Wechselstrom einzuregeln, weil nach jeder
Änderung dieses Stromes die Ruhestellung des Nullgalvanometers wieder abgewartet
werden muß.
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Im folgenden soll daher ein Gerät beschrieben werden, das auf dynamometrischer
Grundlage den direkten Vergleich zwischen Gleichstrom und Wechselstrom trägheitslos
ermöglicht. Dieser dynamometrische Gleichstrom Wechselstrom-Kompensator ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß einer Brückenanordnung, in deren einem Zweig sich die
Drehspule und in deren benachbartem anderem Zweig sich die Festspule des als Nullinstrument
dienenden Dynamometers befindet, gleichzeitig der zu vergleichende Wechselstrom
und der als Bezugswert dienende Gleichstrom so zugeführt werden, daß das vom Wechselstrom
hervorgerufene Drehmoment des Dynamometers dem vom Gleichstrom hervorgerufenen Drehmoment
entgegenwirkt. Das Gerät hat den Vorteil, daß ein handesübliches Instrument verwendet
werden kann, das nur durch eine einfache äußere Schaltung zu einem Gleichstrom-Wechselstrom-Kompensator
erweitert wird. Es unterscheidet sich ferner von den Instrumenten mit Doppelsystem
(sogenannten Meßwertumformern), bei denen ein Gleichstrom- und ein Wechselstrommeßwerk
mit entgegengesetztem Drehmoment auf eine Achse
wirken, dadurch, daß nur ein Meßwerk
vorhanden ist, welches beide Stromarten gleichzeitig führt. Die bei Doppelsystemen
störende gegenseitige Beeinflussung der beiden Meßsysteme sowie der dort erforderliche
Abgleich der beiden Meßwerke auf gleiches Drehmoment werden hier also vermieden.
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Schaltung und Arbeitsweise des Gerätes Dynamometrische Instrumente
weisen bei Speisung mit Gleichstrom das gleiche Drehmoment auf wie bei Speisung
mit Wechselstrom gleichen Effektiv,vertes in einem weiten Frequenzbereich. Fließen
beide Strom arten gleichzeitig durch das System, so kann man das Dynamometer als
Nullinstrument verwenden. Die Stromrichtungen in der festen und der drehbaren Spule
müssen dabei so gewählt werden, daß die vom Gleichstrom und vom Wechselstrom hervorgerufenen
Drehmomente einander entgegenwirken.
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Das Bild 1 zeigt hierfür ein Schaltungsbeispiel: Die Spulen S1 und
S2 des Systems sind in einer Brückenschaltung angeordnet, die die gegenseitige Entkopplung
des Gleich- und Wechselstromkreises ermöglicht. Dabei sind die Widerstände der Spulen
S, und S2 durch äußere ohmsche und induktive Widerstände R1, R2und L so ergänzt,
daß zwischen den Punkten A und B der Brücke keine Wechselspannung auftritt. An diesen
Punkten erfolgt die Gleichstromeinspeisung, während der Wechselstrom an den Klemmen
C und D zugeführt wird. Die Kondensatoren C, und C2 verhindern ein Eindringen des
Gleichstromes in den Wechselstromkreis; sie müssen gleiche Größe aufweisen, damit
der Wechselstrom sich zu gleichen Teilen auf die Brückenzweige aufteilt. Die beiden
Spulen des Systems werden also vom Gleichstrom in Reihenschaltung, vomWechselstrom
dagegen inParallelschaltung durchflossen. Das Drehmoment der einen Stromart wirkt
dem der anderen entgegen, da die Ströme in einer der beiden Spulen entgegengesetzt,
in der anderen gleichgerichtet sind (vgl. die Pfeilrichtungen im Bild 1).
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Zeigt das Instrument Null, so ist der Effektivwert des Wechselstromes
zwangläufig doppelt so groß wie der Gleichstrom. Änderungen in den Eigenschaften
des Systems, die z. B. durch Alterung eintreten, üben keinen Einfluß auf das Meßergebnis
aus, da sie für beide Stromarten in gleicher Weise wirksam sind. Sollte sich infolge
verschiedenartiger Erwärmung in den für Wechselstrom parallel geschalteten Zweigen
eine Widerstandsdifferenz und damit eine kleine Stromdifferenz zwischen beiden Teil-Wechselströmen
ergeben, so ist der hierdurch entstehende Fehler vernachlässigbar; denn bei einem
Unterschied von 2°/o zwischen beiden Teilströmen ist das Produkt der Teilströme
erst 0,01°/o kleiner als das Quadrat ihres mittleren Wertes. Es folgt aber hieraus,
daß den Kupferwiderständen der Spulen Manganinwiderstände vorgeschaltet werden müssen,
damit größere Widerstandsdifferenzen nicht auftreten können.
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Ferner sei noch darauf hingewiesen, daß sich die hier beschriebene
Schaltung eines Dynamometers auch für die Solllvertanzeige von Wechselströmen (z.
B. in Regelkreisen) eignet. Der Gleichstrom kann in diesem Fall von einem Konstantstrom-Netzgerät
geliefert werden. Er stellt den Bezugswert für den zu messenden oder zu regelnden
Wechselstrom dar. Das Instrument wird dadurch zu einem Strommesser mit unterdrdcktem
Nullpunkt und erhält eine weitgehend lineare Skala.
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Insbesondere kann das Instrument wegen seiner geringen Trägheit mit
Vorteil mit einer vom Erfinder angegebenen Schaltung (H;-J. Schrader: Z. Instr.,
65 [1957], S. 69) zur Leistungsmesser und Präzisionszählerprüfung mit Wechselstrom
verwendet werden. Diese Schaltung wird durch den vorstehend beschriebenen Gleichstrom-Wechselstrom-Kompensator
erst für die Praxis brauchbar.
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Eine Prinzipdarstellung dieser Schaltung zeigt Bild 2.
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Der Hauptstroml, der durch die Stromspule des Prüflings P fließt,
wird mit dem Gleichstrom-Wechselstrom-Kompensator gemessen. Seine Größe kann daher
als bekannt vorausgesetzt werden. Dieser Strom erzeugt am Reihenwiderstand RN einen
Spannungsabfall JRN, dessen Größe über ein als Nullinstrument dienendes Dynamometer
D2, mit der Größe der Prüfspannung U verglichen wird, die an den Spannungsklemmen
des Prüflings anliegt. Das Dynamometer zeigt Null, wenn J RN = U cos . q7. Um eine
brauchbare Größenordnung der stromproportionalen Vergleichsspannung zu erhalten,
wird in der Praxis der Widerstand Rw an einen entsprechend übersetzten genauen Stromwandler
geschaltet.