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Einrichtung zur Leistungsmessung im ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz
mit Nulleiter Es ist bekannt, daß an einem Hallgenerator eine Spannung auftritt
(sogenannte Hallspannung), welche proportional zum Strom ist, der durch den Hallgenerator
fließt und proportional zum Magnetfeld, dem der Hallgenerator ausgesetzt ist (unter
»Hallgenerator« wird ein Stück eines Leiters oder Halbleiters verstanden, welches
einen ausgeprägten Halleffekt aufweist und welches mit Elektroden zur Stromzuführung
sowie zur Abnahme der Hallspannung versehen ist). Ein Hallgenerator kann also beispielsweise
zur Messung elektrischer Leistung verwendet werden, wenn der durch ihn fließende
Strom der Netzspannung und das ihn beeinflussende Magnetfeld dem Verbraucherstrom
proportional gehalten wird.
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Ein Hallgenerator der üblichen Bauart ist in Fig. 1 gezeigt. Er besteht
aus einem plattenförmigen Hallelement P aus leitendem oder haibleitendem Material,
das an zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden S1, S2 zur Stromzuführung
versehen ist.
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In der Mitte der anderen Seiten sind bei H1 und H2 »punkt«-förmige
Elektroden zur Abnahme der Hallspannung angebracht. Das den Hallgenerator beeinflussende
Magnetfeld ist senkrecht zur Ebene des Hallelementes gerichtet.
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Da der Strom, der durch den Hallgenerator fließt, und der Strom,
der infolge der Hallspannung im Meßkreis entsteht, dasselbe Hallelement durchsetzen,
sind die beiden Stromkreise galvanisch miteinander gekoppelt. Diese Koppelung wird
oft als Nachteil empfunden, insbesondere dann, wenn, wie schon vorgeschlagen wurde,
die Hallspannungen mehrerer Hallgeneratoren in Serie geschaltet werden sollen. Es
ist dann notwendig, die Ströme, welche durch die einzelnen Hallgeneratoren fließen,
aus galvanisch voneinander getrennten Quellen zu beziehen. In einer Einrichtung
zur Leistungsmessung im Mehrphasennetz beispielsweise kann dies dadurch geschehen,
daß für jeden Hallgenerator ein besonderer Transformator vorgesehen wird. Aber auch
bei Verwendung eines einzigen Hallgenerators kann die genannte galvanische Kopplung
störend sein. Sie bewirkt beispielsweise, daß in einer Einrichtung zur Leistungsmessung
im Einphasennetz der gesamte gleichstromführende Meßkreis gegenüber dem Nulleiter
auf einem Wechselpotential liegt, das durch den Spannungsabfall des den Hallgenerator
durchfließenden Stromes in einem Teil des Hallelementes zustande kommt.
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Die Nachteile der galvanischen Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangskreis
eines Hallgenerators können in vielen Fällen dadurch vermindert werden, daß die
Elektroden zur Abnahme der Halispannung (H, und H2) sich nicht wie üblich gemäß
Fig. 1 in der Mitte des Hallelementes, sondern, wie in Fig. 2 dargestellt, nahe
bei der einen Elektrode zur Stromzuführung (52) befinden.
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Es sind Hallgeneratoren gemäß Fig. 2 bekannt, bei welchen die Elektroden
zur Abnahme der Hallspannung (Ht und H2) nicht in der Mitte des Hallelementes liegen,
sondern nahe der einen Elektrode zur Stromzuführung (S2). Derartige Anordnungen
wurden zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Indiumantimonid vorgeschlagen,
indem mehrere Kontaktspitzen durch Federn an den zu untersuchenden Körper gedrückt
werden, wobei zwei Spitzen einander gegenüberliegen und sich nahe dem einen Ende
des Körpers befinden, an welchem eine Elektrode zur Stromzuführung angebracht ist.
Es sind auch Hallgeneratoren zur Bestimmung magnetischer Feldstärken bekannt, die
zwei Elektroden nahe der einen Elektrode zur Stromzuführung aufweisen. In der bekannten
Anordnung sind diese Hallspannungselektroden allerdings kurzgeschlossen.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße Einrichtung zur Leistungsmessung
im ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz mit Nulleiter, die mindestens einen Hallgenerator
mit zwei Elektroden zur Stromzuführung enthält, bei welchem sich mindestens eine
Elektrode zur Abnahme der Hallspannung nahe der einen Elektrode zur Stromdurchführung
befindet, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem bzw. bei jedem Hall-
generator
diejenige Elektrode zur Stromzuführung, welche den Elektroden zur Abnahme der Hallspannung
benachbart ist, wechselstrommäßig mit dem Nulleiter verbunden ist. An der. erfindungsgemäßen
Einrichtung ist das obenerwähnte störende Wechselpotential des Meßkreis gegenüber
dem Nülleiterinir noch sehr klein. Es läßt sich hierbei zeigen, daß die Hallspannung
bei einem derartigen Hallgenerator, selbst wenn der Abstand zwischen den Elektroden
H1 und H2 und der Elektroden, nur Bruchteile eines Millimeters beträgt, nicht- meßbar-
kleiner ist als bei einem üblichen Hallgenerator. Der nur noch geringe Spannungsabfall,
der durch den - Eingangsstrom zwischen den Elektroden S1 einerseits und H1 oderH2
andererseits erzeugt wird, ermöglicht es auch, den Meßkreis nicht an die Elektroden
H, und H2, sondern etwa an die Elektroden H1 und S2 anzuschließen. Es wird zwar
so nur etwa die halbe Hallspannung ausgeübt, aber als technischer Vorteil kann jetzt
der eine Pol des Meßkreises direkt mit dem Nulleiter verbunden sein. Ein Hallgenerator,
der ausschließlich für diesen Verwendungszweck vorgesehen ist, braucht natürlich
nicht zwei Elektroden zur Abnahme der Hallspannung zu besitzen; es genügt dann,
wenn er eine einzige aufweist.
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Anwendungsbeispiele für erfindungsgemäße Hallgeneratoren werden nun
ausführlicher an Hand der Fig. 3 und4 beschrieben. Die in Fig. 3 gezeigte Schaltung
dient zur Messung von Wirkleistung im Dreiphasennetz mit Nulleiter. Sie enthält
drei unter sich gleiche Hallgeneratoren Gq, G2, Gs. Jeder von diesen ist einseitig
über je einen Kondensator C1, C2, CS mit dem Nulleiter 0, andererseits über je einen
Widerstand R,, Ii,, R, mit je einem Phasenieiter R, S, T verbunden. Auf den Zweck
der genannten Kondensatoren soll später eingegangen werden; hier sei vorweggenommen,
daß ihre Kapazität verhältnismäßig groß ist. Durch jeden Hallgenerator fließt also
ein Strom, welcher der Spannung zwischen dem zugeordneten Phasenleiter und dem Nulleiter
proportional ist. Jeder Hallgenerator wird weiterhin durch je eine WicklungB1, Bs,
B.s magnetisch beeinflußt Durch jede dieser Wicklungen fließt ein Strom, welcher
dem Strom im zugeordneten PhasenleiterR, S, T proportional ist. Der Proportionalitätsfaktor
ist mittels der Widerstände W1, W2, W3 festgelegt. Es ist also das Magnetfeld, welchem
jederHallgenerator ausgesetzt ist, proportional zum Strom im zugeordneten Phasenleiter.
Die drei Hallspannungen sind in Serie geschaltet, wobei die Kondensatoren C1,C2,C3
gleichstromseitige Kurzschlüsse verhindern. Die Kapazität
dieser Kondensatoren ist
so zu wählen, daß die durch die Hallgeneratoren fließenden Ströme keine merkliche
Phasenverschiebung gegenüber den Spannungen zwischen- den zugeordneten Phasenleitern
und dem Nulleiter aufweisen; gleichzeitig sind dadurch die untertn Elektrdden der
Hallgeneratoren wechselstrommäßig mit dem Nulleiter verbunden. Es läßt sich zeigen,
daß die Summe der drei Hallspannungen eine Gleichspannungskomponente enthält, welche
proportional zur Wirkleistung ist, die über das Vierleitersystem übertragen wird.
Die Summengleichspannung kann durch das Instrument V gemessen werden.
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Wird das Magnetfeld für jeden Hallgenerator durch eine Wicklung erzeugt,
welche durch die Wechselspannung zwischen zugeordnetem Phasenleiter und Nulleiter
gespeist ist, so verläuft das Magnetfeld mit einer Phasenverschiebung von 900 gegenüber
der Wechselspannung. Wird gleichzeitig der Strom in jedem Hallgenerator proportional
zum Strom durch den zugeordneten Phasenleiter gehalten, so ist die Einrichtung zur
Messung von Blindleistung geeignet.
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Die Fig. 4 zeigt eine Einrichtung (und zwar der Einfachheit halber
nur für einen Phasenleiter), bei welcher diese Maßnahmen angewendet sind: Die Wicklung
B liegt an den Leitern R und 0, am Shunt W wird ein Strom abgenommen, der durch
den Hallgenerator G fließt und der proportional zum Strom im Verbraucher Z ist.
Die Kondensatoren C verhindern gleichstromseitige Kurzschlüsse.