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Einrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Innenwiderstandes eines
Netzes Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung
des inneren Widerstandes eines Netzes, bei der ein Netzbelastungswi derstand kurzzeitig,
beispielsweise während einer Halbperiode. das Netz belastet und dabei zu einer Netzspannungsabsenkung
führt. Der Netzspannungsunterschied, der zwischen belastetem und unbelastetem Netz
gemessen werden kann, dient dann als Kriterium für den Netzinnenwiderstand.
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Derartige Meßeinrichtungen sind bekannt. Bei einer wird z. B. durch
einen Synchronschalter das Netz wechselweise belastet. Ein zweiter Synchronschalter
lädt dann im gleichen Takt zwei Kondensatoren mit Gleichspannungen auf, welche den
Scheitelwerten der einmal bei belastetem und das andere Mal bei unbebelastetem Netz
sich einstellenden Netzspannung entsprechen. Eine Aussage über irgendwelche Blindanteile
des Netzinnenwiderstandes kann dahei nicht gemacht werden.
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Das Netz hat aber im allgemeinen einen komplexen inneren Widerstand.
Der Betrag dieses Widerstandes stellt ein Maß für den Kurzschlußstrom dar. Der Kosinus
des Phasenwinkels , wobei tang g das Ver hältnis zwischen Imaginär- und Realteil
des komplexen Netzinnenwiderstandes ist, stellt den Beistungsfaktor der Kurzschlußwirkleistung
dar. Der Betrag des Netzinnenwiderstandes und der J,eistungsfaktor cos ç des Netzes
bestimmen beide zusammen die Kurzsclllußwirkleistung, die z. B. für die Dimensionierung
von Schaltern, Sicherungen usw. wich tig ist.
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Die Erfindung ermöglicht, diese beiden bestimmenden Größen des Netzes
mit kleinem Aufwand zu ermitteln. Sie geht von einer Einrichtung zur Ermittlung
des Innenwiderstandes eines Wechselstromnetzes aus, bei der ein mit einem Einweggleichrichter
in Reihe liegender Netzbelastungswiderstand zu periodischen Netzspannungsabsenkungen
dient und bei der die Differenzspannung zwischen den bei ein- und ausgeschaltetem
Belastungswiderstand sich einstellenden Netzspannungen als Kriterium für die gesuchte
Größe verwendet ist. Ihr kennzeichnendes Merkmal besteht darin, daß zur Anzeige
eines komplexen Netzinnenwiderstandes nach Betrag und Phase eine aus obmschen Widerständen
und gegengeschalteten Gleich richtern bestehende, dem Belastungskreis parallel geschaltete
Meßbrückenschaltung dient, mit deren Anzeigediagonale ein Grnndwellenfilter für
die Be lastungsfrequenz verbunden ist, dessen Ausgang über einen Gleichrichter einen
mit änderbarem Vorwiderstand ausgerüsteten Spannungsmesser speist. und daß die Enden
der Anzeigediagonale durch die Abgriffe der beiden Meßbrückenwiderstände gebildet
sind.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, daß die Messung
des Netzinnenwiderstandes
praktisch unabhängig von den Schwankungen der Netzspannung ist. Es werden die Spannungen
bei belastetem und unbelastetem Netz in jeder Periode einmal miteinander verglichen.
Deshalb können Netzspannungsschwankungen kaum in die Messung eingehen. Weiter kann
mit der Einrichtung nach der Erfindung der Leistungsfaktor in der Umgebung cos ç
= 1, d. h. in dem für die Praxis am meisten interessierenden Bereich sehr genau
gemessen werden. Ein anderer Vorteil wird darin gesehen, daß der Nullpunkt der Meßeinrichtung
vor jeder Messung auf einfache Weise kontrolliert und eingestellt werden kann. Es
genügt dazu die Abstimmung der Gleichrichterbrücke an einem Widerstandsabgriff.
Die Eichung der Einrichtung ist darüber hinaus sehr einfach.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kann z. B. aus einer Meßbrückenschaltung
bestehen, die sich aus einer Parallelschaltung aus zwei gleich großen Widerständen,
die mit zwei ungleich gepolten Einweggleichrichtern in Reihe liegen, zusammensetzt.
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Dieser Gleichrichterbrücke wiederum liegt ein Netzbelastungswiderstand
in Reihe mit einem Einweggleichrichter parallel. Beide Brückenwiderstände können
veränderliche Abgriffe tragen, an denen einmal die Brücke abgleichbar ist und an
denen bei periodisch belastetem Netz eine Grundwellenspannung abgenommen werden
kann. Die Grundwellenspannung kann über ein Netzfrequenzfilter einem Verstärker
und anschließend über einen Gleichrichter einem Anzeigeinstrument zugeführt werden.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung kann mit vier Einweggleichrichtern
in Graetzschaltung als
Gleichrichterbrücke versehen sein, in deren
Gleichspannungs-Diagonalen-ein Widerstand liegen kann, an dem bei periodischer Netzbelastung
eine Grundwellenspannung anfällt. Zum Abgleich der Brücke bei unbelastetem Netz
kann ein in die Brücke eingeschaltetes Potentiometer vorgesehen sein, dessen Abgriff
einen Speisepunkt der Brücke darstellt. In einem der B rückenzweige kann außerdem
ein einstellbarer Widerstand liegen, der zur Ermittlung des Leistung faktors benutzt
werden kann.
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Bei beiden Ausführungsfonnen kann im Stromkreis des Anzeigeinstrumentes
ein regelbarer Vorwiderstand liegen, welcher, wie später ausführlicher dargestellt,
ebenfalls bei der Bestimmung des Leistnngsfaktors eingesetzt werden kann.
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Das Instrument selbst kann in Widerstandseinheiten für den Betrag
des Netzinnenwiderstandes geeicht sein. Gleichzeitig kann es eine cos-<p-Skala
tragen.
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Zur Bestimmung des Leistungsfaktors kann folgendes Verfahren angewendet
werden: Bei abgeschaltetem Netzbelastungswiderstand wird mittels der veränderlichen
Abgriffe an einem der Brückenwiderstände der ersten Ausführungsform oder an dem
Potentiometer für den Einspeisepunkt der Brückenschaltung bei der zweiten Ausführungsform
der Ausschlag des Instrumentes zum Verschwinden gebracht, d. h., die Brücke wird
abgeglichen. Anschließend kann der Belastungswiderstand eingeschaltet werden. Wegen
des mit ihm in Serie liegenden Einweggleichrichters wird dabei das Netz nur in gleichen
Halbperioden belastet.
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Daraufhin stellt sich ein Ausschlag des Anzeigeinstrumentes ein, welcher
dem Betrag des Innenwiderstandes des Netzes entspricht. Mittels des schon erwähnten
Vorwiderstandes für das Anzeigeinstrument kanrr dieses auf Vollausschlag gebracht
werden. Danach kann mittels eines in einem anderen Brückenzweig liegenden veränderlichen
Widerstandes das Instrument auf ein Ausschlagsminimum eingestellt werden. Dieses
Minimum bildet dann ein Maß für den cos . Eine eingehendere Erklärung dieses Meßverfahrens
wird später an Hand einer Zeichnung gegeben.
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Für das Anzeigeinstrument kann eine vom Netz gespeiste Eicheinrichtung
vorgesehen sein.
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An Stelle des geeichten Instrumentes kann auch ein ungeeichtes Null
instrument verwendet werden. Dazu können zwei Potentiometer vorgesehen sein, welche
-on der unbelasteten Netzspannung über einen Gleichrichter gespeist werden und an
denen Wompensationsströme für den Instrumentenstrom abgezweigt werden können. Die
beiden Potentiometer können eines eine cos-?-Einteilung, das andere eine Ohmeichung
haben.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung dienen schematische Darstellungen
dreier Ausführungsbeispiele und der Spannungsverhältnisse bei der Messung der cos
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Meßeinrichtung. Mit Schaltklemmen
1 und 2 wird die Meßeinrichtung an die Spannung des zu prüfenden Netzes angeschlossen.
3 bezeichnet einen Schalter, mit dem ein Gleichrichter 4 und ein mit dem Gleichrichter
in Serie liegender Netzbelastungswiderstand 5 in das Netz eingeschaltet werden können.
An diesen Klemmen liegen auch ein Gleichrichter 8 und ein Widerstand 9 sowie ein
Gleichrichter 14 und ein gleich großer Widerstand 16. Diese vier Schaltelemente
bilden zusammen eine Brückenschaltung.
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Der Widerstand 9 trägt einen Abgriff 10. Am Widerstand 16 ist ein
Abgriff 15 angeordnet. Der Abgriff 15 kann mittels eines Wahlschalters 13t mit einer
Eingangsklemme 12 eines Netzfrequenzfilters 17 verbun-
den werden. Der Abgriff 10
ist mit der anderen Eingangsklemme 11 des Filters 17 verbunden. Die Ausgangsspannung
des Filters 17 wird über einen Übertrager 18 einem Verstärker 19 zugeführt. Dieser
Verstärker speist einen Gleichrichter 20, an den über einen Vorwiderstand 21 ein
Anzeigeinstrument 22 angeschlossen ist. Der verschiebbare Abgriff des Widerstandes
21 ist mit Kontakten einer zweiten Ebene des Wahlschalters 13 verbunden. Kontakte
23 und 24 eines Schalters 25 dienen einmal der Einschaltung des Instrumentes in
den Meßkreis, das andere Mal der Anschaltung des Instrumentes an eine Eicheinrichtung,
welche sich aus einem Vorwiderstand 26, einem Parallelwiderstand 27 für das Instrument
und einem beide speisenden Gleichrichter 28 zusammensetzt Der Gleichrichter 28 ist
über den Transformator 29 an das Netz angeschlossen.
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Fig. 2 stellt eine Abänderung der in Fig. 1 dargestellten Meßeinrichtung
dar. Tn dieser Figur sind gleiche Schaltteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der Einrichtung nach Fig. 2 ist das Anzeigeinstrument 22 ein Nullinstrument.
Die Messung der Anzeigeströme geschieht über Kompensationsströme, welche an einem
Potentiometer 41 bzw. einem Potentiometer 42 abgegriffen werden und den Ausschlag
des Instrumentes jeweils zum Verschwinden bringen. Das Potentiometer 41 ist in Ohmwerten
geeicht, das Potentiometer 42 trägt eine cos-s-Einteilung.
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Beide Potentiometer werden über eine dritte Schaltebene des Schalters
13 an einen Vorwiderstand 43 angeschlossen, welcher über einen Einweggleichrichter
44 vom Netz gespeist wird. Zweckmäßig wird dieser Widerstand 43 viel größer als
die Widerstände der Potentiometer 41 und 42 gewählt. Der Gleichrichter 44 ist so
gepolt, daß die Kompensationsströme bzw.
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Spannungen der unbelasteten Netzspannung proportional sind.
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In Fig. 3 wir.d eine dritte Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Gleiche Teile sind auch hier mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Einrichtung
nach der Fig. 3 weicht insofern von den beiden Einrichtungen nach Fig. 1 und 2 ab,
als an die Stelle der Brückenschaltung aus den zwei gleich großen Widerständen 9
und 16 mit den dazu gehörigen Gleichrichtern 8 und 14 eine Gleichrichterbrücke in
Graetzschaltung tritt. Die Gleichrichterbrücke wird vom zu messenden Netz gespeist.
Ein Einspeisepunkt wird durch einen Abgriff 30 eines Potentiometers 38 gebildet.
Die Brücke selbst besteht aus vier Einweggleichrichtern oder Dioden 32, 33, 34 und
36. In der Gleichspannungs-l)iagonalen der Brücke liegt ein Widerstand 37. An diesem
Widerstand wird die zur Messung dienende Grundwellenspannung abgegriffen und dem
schon bekannten Filter 17 zugeführt. In einem Zweig der Brücke liegt zusätzlich
ein Widerstand 39.
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Der Widerstand 39 trägt einen Abgriff 35, welcher mit einem Kontakt
eines Wahlschalters S, verbunden ist.
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Zwei weitere Kontakte des Wahl schalters Sl sind so an die Brücke
angeschlossen, daß der Widerstand 39 umgangen werden kann.
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Fig. 4 zeigt das vereinfachte Prinzipschaltbild der beiden in Fig.
1 und 2 gezeigten Anordnungen. Die an ihm abgeleiteLen Verhältnisse für die Meß
spannung gelten aber auch für die Anordnung nach Fig. 3. Die Meßanordnung nach Fig.
4 wird mit ihren Klemmen 1 und 2 an das zu messende Netz angeschlossen. Ein Widerstand
Rt versinnbildlicht den [nnenwiderstand dieses Netzes. Zwei gleich große Widerstände
R1 und R2 liegen mit je einem in Reihe geschalteten und umgekehrt gepolten Einweggleichrichter
dem Netzinnenwiderstand
parallel. Betrachtet werden die Spannungen
zwischen den Punkten a und b bzw. a und c und einem veränderbaren Abgriff d des
Widerstandes R2.
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Fig. 4 a zeigt die Spannung zwischen den beiden Punkten, b, welche
bei unbelastetem Netz auftritt.
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Fig. 4b zeigt die bei ebenfalls unbelastetem Netz vor handene Spannung
zwischen den Punkten , c. In der Fig. 4c ist der in der Gleichspannungs-Diagonalen
zwischen den Punkten blc auftretende Spannungsverlauf gezeigt. Diese Spannung stellt
eine pulsierende Gleichspannung dar, die keinen Grundwellenanteil, sondern nur geradzahlige
Oberharmonische der Grundwelle enthält.
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Wird nun durch einen in der Fig. 4 nicht gezeigten Belastungswiderstand
das Netz entweder nur während der positiven oder während der negativen Halhperiode
belastet, und zwar mit einem Widerstand, der viel kleiner ist als einer der Widerstände
Rl oder R2, so tritt zwischen den Punkten b und c eine Spannung auf, deren zeitlicher
Verlauf in der Fig. 4d dargestellt ist.
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Es ist zu erkennen, daß neben dem Gleichspannungsanteil und dem Harmonischen
der Grund welle auch ein Grundwellenanteil auftritt, und zwar w-ird dieser Grundwellenanteil
durch die Differenz zwischen den aufeinan,derfolgenden Gleichspannungsimpulsen hervorgerufen.
Aus der Fig. 4 e ist der vektorielle Zusammenhang zwischen den Spannungen an den
Punkten a, b, c und d zu entnehmen, und zwar nur der Grundwellenanteile dieser Spamlullgen.
Es ist zu erkennen, daß die vom Instrument schließlich angezeigte Spannung zwischen
den Punkten b, c einer Spannung Uz in der Figur entspricht. Diese Spannung U ist
mit einer Spannung Ux, die zwischen den Punkten b und d auftritt, über den cos 99
verknüpft'. Auf diesen Zusammenhängen beruht die Möglichkeit, cos ? zu messen.
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Im folgenden wird ein Verfahren zur Messung des Betrages des Netzinnenwiderstandes
und des Leistungs faktors beschrieben, wie es mit einer Einrichtung nach der Fig.
1 durchgeführt werden kann. Der Schalter ..... .2 steht auf der Stellung 1. Durch
die Belastung des Netzes mit dem Widerstand 5 zeigt das Anzeige instrument 22 eine
Größe an, die ein Maß für den Betrag des inneren Widerstandes 191 des Netzes ist.
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Der Schalter .3.... 2 wird auf die Stellung II geschaltet und durch
das Potentiometer 21 wird das Anzeigeinstrument 22 in den Endausschlag gebracht.
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Weiter wird der Schalter ..... .2 , auf die Stellung III geschaltet
und der Potentiometerabgriff 15 so lange gedreht, bis das Anzeigeinstrument22 ein
Minimum anzeigt, welcher Ausschlag ein Maß für den Blindteil iI sin cp des inneren
Widerstandes des Netzes ist.
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Da dem Endausschlag des Anzeigeinstrumentes 22 die Größe l ! entspricht,
so ist dieses Minimum ein direktes Maß für sin <p.
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Durch das Anzeigeinstrument 22, das mit cos Werten geeicht worden
ist, kann der cos in der Umgebung von cos g = 1, die auch in. der Praxis meistens
interessiert, am genauesten gemessen werden.
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Der folgende Abschnitt gibt ein Verfahren zur Messung des Betrages
des Netzinnenwiderstandes und des cos g mit einer Einrichtung nach der Fig. 2 an.
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Der Schalter 131 .3 3 steht auf der Stellung 1. Durch die Belastung
des Netzes mit dem Widerstand 5 fließt ein Gleichstrom durch das Anzeigeinstrument
22. Das Potentiometer 41 wird so lange gedreht, bis das Anzeigeinstrument 22 wieder
den Nullpunkt all zeigt. Die Stellung des Potentiometers 41 ist ein Maß für I.
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Der Schalter 13' .3 wird auf die Stellung II geschaltet und das Potentiometer
15 so lange gedreht, bis das Anzeigeinstrument 22 ein Minimum anzeigt.
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Sodann wird der Schalter ..... .3 auf die Stellung III geschaltet
und das Potentiometer 42 so lange gedreht, bis das Anzeigeinstrument 22 wieder den
Nullpunkt anzeigt. Die Stellung des Potentiometers 42 ist ein direktes Maß- für
sin q7.
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Durch das Potentiometer 42, das mit cos-Werten geeicht worden ist,
kann der cos 97 in der Umgebung von cos W = 1, die auch in der Praxis meistens interessiert,
am genauesten gemessen werden.
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Die Messung des inneren Widerstandes des Netzes nach der Fig. 2 ist
praktisch unabhängig von Schwankungen der Netzspannung.
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Auf den Fig. 1 und 2 sind zwei mit 6 und 7 bezeichnete Klemmen zu
erkennen. Diese dienen der Skaleneichung des Anzeigeinstrumentes 22 bei einer Einrichtung
nach Fig. 1 und des Potentiometers 41 bei einer Einrichtung nach der Fig. 2 mit
Einheiten für den Betrag des Netzinnenwiderstandes.
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Wird die Verbindung zwischen den Punkten 6 und 7 weggenommen, und
statt dessen ein bekannter reeller Widerstand geschaltet, so muß das Anzeigeinstrument
22 bei Fig. 1 bzw. die Stellung des Potentiometers 41 bei Fig. 2 die Größe dieses
Widerstandes im Verhältnis der Widerstände 5 und 9 anzeigen. Bei der Eichung bleibt
die Drucktaste 3 immer offen.
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PATENTANSPROCHE: 1. Einrichtung zur Ermittlung des Innenwiderstandes
eines Wechselstromnetzes, bei der ein mit einem Einweggleichrichter in Reihe liegender
Netzbelastungswiderstand zu periodischen Netzspannungsabsenkungen dient und bei
der die Differenzspannung zwischen den bei ein- und ausgeschaltetem Belastungswiderstand
sich einstellenden Netzspannungen als Kriterium für die gesuchte Größe verwendet
ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige eines komplexen Netzinnenwiderstandes
nach Betrag und Phase eine aus ohmschen Widerständen und gegengeschalteten Gleichrichtern
bestehende, dem Belastungskreis parallel geschaltete Meßbrückenschaltung dient,
mit deren Anzeigediagonale ein Grundwellenfilter für die Belastungsfreqnenz verbunden
ist, dessen Ausgang über einen Gleichrichter einen mit änderbarem Vorwiderstand
ausgerüsteten Spannungsmesser speist, und daß die Enden der Anzeigediagonale durch
die Abgriffe der beiden Meßbrückenwiderstände gebildet sind.