-
Verfahren zum Messen von Gleichstromwerten in elektrischen Umformungsanlagen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen hoher Gleichströme
in elektrischen Umformungsanlagen, die Gleichströme von 10 000 Ampere, für gewöhnlich
über 20 000 Ampere und häufig über 80 000 Ampere, bei Spannungen in der Größenordnung
zwischen 10 und 500 Volt und darüber aus Wechselstromkraftquellen erzeugen.
-
Ein genaues Messen von Gleichströmen über 10 000 Ampere ist sehr
schwierig. Anlagen, die derartig hohe Gleichströme liefern, verwenden im allgemeinen
ein standardisiertes Reihenwiderstandsverfahren oder Umwandler zur Strommessung.
Beide Systeme sind kompliziert und teuer, und die Größe und Kosten der Anlagen sind
proportional der Größe der zu messenden Gleichströme. Zu der räumlichen Größe und
den hohen Kosten der genannten Meßeinrichtungen sowie zu ihren Nachteilen gesellt
sich noch das Problem der Eichung. Im allgemeinen verfügen die Hersteller derartiger
Meßeinrichtungen nicht über Gleichstromerzeuger zum Bereitstellen so hoher Eichströme.
Deshalb werden die meisten Meßinstrumente der vorerwähnten Art mit niedrigen Strömen
geeicht. Die Eichwerte für die hohen Ströme werden durch Umrechnung ermittelt.
-
Durch die vorliegende Erfindung lassen sich die geschilderten Nachteile
beim Messen hoher Gleichströme in Anlagen fast oder völlig vermeiden, die Gleichströme
in der Größenordnung von 10 000 bis 20 000 Ampere oder mehr aus Wechselstromkraftquellen
erzeugen. Größe und Kosten der Instrumente zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind gegenüber den bisher bekannten Meßinstrumenten beträchtlich herabgesetzt.
Außerdem gestatten die verwendeten Meßinstrumente eine bequeme Eichung, wodurch
alle in der Anlage durchgeführten Messungen äußerst genau sind. Dieses wiederum
führt zu einer besonders wirksamen und empfindlichen Gesamtmessung der hohen Gleichstromwerte.
-
Diese Vorteile ergeben sich durch ein neues erfindungsgemäßes Meßverfahren,
bei dem die einfache Tatsache nutzbar gemacht ist, daß der Quotient aus elektrischer
Leistung und Spannung den zugehörigen Stromwert ergibt. Um also in elektrischen
Anlagen, die Wechselstrom in Gleichstrom umformen, die Stärke des abgegebenen Gleichstromes
zu ermitteln, wird erfindungsgemäß ein Meßwert, der der abgegebenen Gleichstromleistung
entspricht, durch eine Größe dividiert, die der Ausgangsgleichspannung proportional
ist. In vorteilhafter Weise wird dabei der Meßwert, der der Gleichstromausgangsleistung
entspricht, aus der Wechselstromeingangsleistung in Verbindung mit dem Gesamtwirkungsgrad
der Umfor-
mungsanlage gewonnen. Demgemäß ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die dem System zugeführte Wechselstromeingangsleistung gemessen und ein dieser
Leistung proportionaler Meßwert erzeugt, die Ausgangsgleichspannung des Systems
gemessen und ein dieser Spannung proportionaler Meßwert erzeugt werden, daß in einem
Meßkreis der Wechselstromeingangsmeßwert durch den Ausgangsgleichspannungsmeßwert
dividiert und der Quotient mit einem den Wirkungsgrad des elektrischen Umformungssystems
darstellenden elektrischen Konstantwert multipliziert werden. Die so erhaltene Größe
entspricht dem abgegebenen Gleichstrom. Sie kann durch ein geeignetes Gerät zur
Anzeige gebracht werden.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie aus der folgenden
Beschreibung. Es zeigt Fig. 1 eine Schaltungsanordnung der neuen Anlage zum Messen
von hohen Gleichstromstärken und Fig. 2 eine Schaltungsanordnung einer zum Messen
von Gleichstrom verwendeten Rechnungsschaltung.
-
Gemäß der Fig. 1 wird Dreiphasenweehselstrom über die Leitungen 13
a, 13 b und 13 c der Primärseite 1 eines Leistungstransformators zugeführt. Die
Sekundärseite 2 dieses Transformators liefert über die
Leitungen
18 a, 18 b und 18c Wechselstrom an den Gleichrichter 3. Dieser Gleichrichter 3 stellt
über die Sammelschienen 22 und 23 Gleichstromleistung zur Verfügung. An die Wechselstromleitungen
13 a, 13 b und 13 c sind die Primärseiten 11 eines Spannungswandlers angeschlossen.
Die Leitungen 13 a und 13 c bilden die zugehörigen Primärwicklungen zu den Sekundärwicklungen
14 bzw. 15 zweier Stromwandler.
-
Leitungen 16 a, 16 b und 16 c von der Sekundärseite 12 des Spannungswandlers
sowie die Leitungen 17 a, 17 b und 17 c von den Wicklungen 14 und 15 des Stromwandlers
sind an einen bekannten Umformer 10 angeschlossen, der die Meßwerte des Spannungswandlers
11, 12 und die des Stromwandlers 14, 15 in eine der Wechselstromeingangsleistung
proportionale Spannung umwandelt. Die Wirkungsweise des Umformers 10 wird später
beschrieben. Die Leitungen 4 und 5 liegen an den Sammelschienen 22 und 23 und sind
mit ihren anderen Enden am Gleichspannungsmesser6 angeschlossen, der durch entsprechende
Mittel, wie Übertragungsmeßdrähte od. dgl., einen der gemessenen Ausgangsgleichspannung
proportionalen Meßwert erzeugt. Dieser Wert wird über die Leitung 8 einer Gleichstrommeßvorrichtung
7 zugeführt.
-
In ähnlicher Weise werden Ausgangswerte des Umformers 10 über die
Leitung 9 der Meßvorrichtung 7 zugeführt.
-
Im Betrieb der Anlage nach der Fig. 1 wird über die Leitungen 13
a, 13 b und 13 c Wechselstromleistung an die Primärwicklung 1 des Leistungstransformators
abgegeben. Die LeitungenlSa, 18 b und 18 c führen diese Leistung aus der Sekundärwicklung
2 des Leistungstransformators dem Gleichrichter 3 zu. In diesem Gleichrichter wird
die Wechselstromeingangsleistung in Gleichstromleistung umgeformt und über Leitungen
22 und 23 einem Gleichstromlastkreis zugeführt. Die Wechselstromeingangsleistung
wird laufend mittels des Spannungswandlers 11-12 und der Stromwandler 14-15 zahlenmäßig
oder anders gemessen Die von den Wandlern erzeugten Ausgangsgrößen werden über Leitungen
16 a, 16 b und 16c sowie die Leitungen 17 a, 17 b und 17 c an den Umformer 10 gegeben.
-
Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 3 an den Sammelschienen 22
und 23 wird vom Spannungsmesser 6 und die Wechselstromeingangsleistung an den Leitungen
13 a, 13 b und 13 c wird vom Umformer 10 in Meßwerte umgewandelt, die sich beispielsweise
in Millivolt ablesen lassen. Diese größenordnungsmäßig sich entsprechenden Spannungen
werden über Leitungen 8 bzw. 9 einer Gleichstrommeßvorrichtung 7 zugeleitet. In
dieser Meßvorrichtung 7 wird die Ausgangsspannung des Umformers 10 durch die Ausgangsspannung
des Gleichspannungsmessers 6 dividiert und der Quotient mit dem Wirkungsgrad der
Gesamtanlage 2, 3 multipliziert. Dieser Wirkungsgrad kann ein Konstantwert sein.
Er läßt sich beispielsweise durch Festwiderstände, Spannungswerte in Millivolt oder
andere elektrische Größen wie Kapazitäten oder Induktivitäten darstellen.
-
Eine so ausgeführte Messung liefert eine genaue Angabe über die Stärke
der zu irgendeiner Zeit in dem Gleichstromlastkreis fließenden Ströme.
-
Fig. 2 zeigt schematisch eine Anordnung der elektrischen Glieder,
mit denen die später beschriebenen Auswertungen oder Ausrechnungen ausgeführt und
die Ergebnisse in Einheiten der Stromstärke aufgezeichnet werden. Die Leitungen
201 und 202, die am
Gleichstromausgang eines elektrischen Systems zur Umformung von
Wechselstrom in Gleichstrom liegen, sind an ein Gleichspannungsaufzeichnungsinstmment
206 angeschlossen. Dieses Instrument ist zweckmäßigerweise ein übliches Nullausgleichspotentiometer
mit einem Spannungsbereich von 0 bis 100ovo.
-
Am Aufzeichnungsinstrument 206 ist ein üblicher, nicht dargestellter
Zeiger vorgesehen, der auf Schwankungen der mittels dieses Instruments gemessenen
Spannung beweglich anspricht.
-
Dem Umformungssystem zugeführteWechselstromleistung gelangt über
die Leitungen 211 a, 211 b und 211 c eines nicht veranschaulichten Stromwandlers
und über Leitungen 212 a, 212 b und 212 c eines ebenfalls nicht veranschaulichten
Spannungswandlers in einen thermischen Umformer 210. Die Anschlüsse eines zur Durchführung
dieser Leistungsmessung geeigneten Stromwandlers und eines Spannungswandlers sind
aus der Fig. 1 ersichtlich. Die dem thermischen Umformer 210 zugeführte Leistung
erscheint über die Leitungen 203 und 204 als Ausgangsspannung, die der dem thermischen
Umformer 210 zugeführten Eingangsleistung proportional ist.
-
An den Leitungen 203 und 204 liegen ein Festwiderstand R sowie ein
Potentiometer P. Letzteres ist mit einem Abgriff 213 versehen. Dieser Abgriff ist
über mechanische Glieder 205 mit dem Aufzeichnungsarm der Gleichspannungs aufzeichnungsvorrichtung
206 derart gelenkig verbunden, daß sich der Abgriff.213 an der Stelle(a) bei 1000/o
Spannung und an der Stelle (b) bei 0 O/o Spannung befindet. Der Abgriff 213 bewegt
sich vermittels der Gelenkverbindung 205 längs P1 entsprechend den Änderungen der
mittels der Aufzeichnungsvorrichtung 206 gemessenen Spannung.
-
Die Leitungen 208 und 209 (angeschlossen an die Widerstände Rt und
Pl) sind mit einem Widerstand R2 verbunden. Dieser Widerstand R2 ist ein Festwiderstand
mit einem Abgriff 214 an einer Stelle, die dem Wirkungsgrad des elektrischen Umformungssystems
entspricht. Der Abgriff 214 ist als fester Anschluß dargestellt, kann jedoch je
nach Ausbildung der Aufzeichnungsvorrichtung 207 auch beweglich sein, um eine Handeinstellung
des Wirkungsgradkonstantwertes für veränderliche, in dem zu messenden elektrischen
System herrschende Lastbedingungen zu schaffen. Die Leitungen 215 und 216 sind an
die Aufzeichnungsvorrichtung 207 angeschlossen, die mit einer Skala und einem Zeiger
ausgerüstet ist, um eine Anzeige in Ampere entsprechend der über die Leitungen 215
und 216 dargebotenen Eingangsspannung zu bewirken.
-
Im Betrieb der Anlage nach Fig. 2 wird eine ständige Ablesung der
Gleichspannung des elektrischen Umformungssystems über die Leitungen 201 und 202
geschaffen und an der Vorrichtung 206 aufgezeichnet.
-
Die Wechselstromeingangsleistung des elektrischen Umformungssystems
wird über die Leitungen 211 a, 211 b und 211 c sowie über die Leitungen 212 a 2-X2b
und 212 c eines Stromwandlers bzw. eines Spannungswandlers bestimmt, die an den
Gleichrichtereingang und den thermischen Umformer 210 angeschlossen sind. Rt ist
ein 100-Ohm-Widerstand und das Potentiometer Pa ist ein 900-Ohm-Widerstand. Der
Umwandler 210 kann so ausgebildet und eingerichtet sein, daß er bei einer 100 Yo-Eingangsleistung
eine Ausgangsgleichspannung von 100 Millivolt liefert.
-
Beispielsweise kann der Umwandler 210 derart beschaffen
sein,
daß er für eine Wechselstromeingangsleistung von 32000 Kilowatt 100 Millivolt Ausgangsspannung
liefert; demzufolge würde bei diesem Beispiel die Stelle 100 ovo einer Wechselstromeingangsleistung
von 32000 Kilowatt entsprechen.
-
Wenn sich der Abgriff 213 in der Stellung V am Potentiometer P1 befindet,
betragen also die Ausgangsspannungen an den Leitungen 208 und 209 10 Millivolt.
Der Widerstand R2 ist ein 100-Ohm-Widerstand mit einem Abgriff 214 beispielsweise
an einem 95,6 Ohm darstellenden Punkt. Dieser Wert wird gewählt, wenn der Wirkungsgrad
des elektrischen Umformungssystems bei einer gegebenen Belastung zu 95,6 ovo bestimmt
worden ist. Der Abgriff 224 kann deshalb leicht in Abhängigkeit vom Wirkungsgrad
des Umformungssystems eingestellt werden. Wenn das Umformungssystem beispielsweise
einen Wirkungsgrad von 80°/o besitzt, würde sich der Abgriff 214 an einem 80 Ohm
darstellenden Punkt befinden.
-
Auf diese Weise läßt sich eine Berücksichtigung des sich mit der Belastung
ändernden Wirkungsgrades des elektrischen Umformungssystems erreichen. Die Spannung
zwischen den Leitungen 215 und 216 wird im Aufzeichnungsgerät 207 gemessen und durch
entsprechende mechanische Mittel auf einer Skala angezeigt, die so geeicht ist,
daß 9,56 Millivolt Eingangsspannung einer 100 0/oigen Strombelastung entsprechen.
-
Der Abgnff 213 des Potentiometers P1 stellt Widerstände ein, die
den sich ändernden, im Gerät 206 aufgezeichneten Spannungen entsprechen. Die folgende
Tabelle veranschaulicht ein beispielsweises Ausbildungsschema der Instrumente nach
der Fig. 2.
-
Rl = 100 Ohm P, = 900 Ohm
| Spannungs- |
| wert, ange- Potentiometer- Gesamt- |
| zeigt durch ausgangs- R1-Spannung ausgangs- |
| ein Gleich- spannung in Millivolt spannung für |
| spannungs- in Millivolt bei 100 Milli- die Drähte 208 |
| instrument bei 100 Milli- volt Eingang und 209 |
| 206 volt Eingang |
| Olo (Millivolt) |
| 100 0 10 10,00 |
| 90 1,11 10 11,11 |
| 80 2,50 10 12,50 |
| 70 4,28 10 14,28 |
| 60 6,67 10 16,67 |
| 50 j 10,00 10 20,00 |
| 40 15,00 10 25,00 |
| 30 23,33 10 33,33 |
| 20 40,00 1 10 50,00 |
Unterhalb 20 °/o von normale Eingangsspannung arbeitete das Instrument nicht befriedigend.
-
Die in Fig. 1 der Zeichnung im allgemeinen als Gleichrichter 3 bezeichnete
Einheit kann irgendein Gleichrichtersystem sein, das Gleichstrom über 10 000 Ampere
erzeugt, wie etwa eine große Germaniumgleichrichteranlage, eine große Siliziumgleichrichteranlage
oder eine Quecksilberdampfgleichrichteranlage. Die Einheit 3 kann ebensogut einen
Motorgeneratorumformer oder andere ähnliche elektrische Anlagen oder Einrichtungen
enthalten, die Wechselströme in Gleichströme extrem hoher Stromstärken umwandeln.
-
Der Leistungstransformator 1-2 kann beispielsweise ein Stufentransformator
oder ein Spartransformator mit Abgriffwechsel unter Last oder jeder beliebige Transformator
sein, der genügend Leistung an den Gleichrichter des Umformungssystems liefert.
-
Obwohl der Transformator 1-2 aus Zweckmäßigkeitsgründen als Dreiphasentransformator
gezeigt ist, der an ein Dreiphasennetz angeschlossen ist, versteht sich, daß auch
Einphasen-, Zweiphasen, Sechsphasen- ender Vielphasensysteme für das neue Verfahren
und die neue Einrichtung in Betracht kommen. Außerdem kann die Einheit 3 eine Mehrzahl
von parallelen Gleichrichtern oder Gleichrichterkreisen oder parallel oder in Reihe
geschaltete Motorgeneratoren oder Kombinationen aus Reihen- und Parallelkreisen
aufweisen. In ähnlicher Weise können die veranschaulichten Leistungstransformatoren
eine Mehrzahl parallel geschalteter Einheiten statt des einenveranschaulichten Transformators
sein und lassen sich die jedem Transformator einer Mehrzahl von Transformatoren
zugeführten Eingangsleistungen einzeln messen und dann summieren. Diese summierte
Eingangsleistung würde dann gegen die gesamte Ausgangsgleichspannung entweder eines
einzelnen Gleichrichters, einer Mehrzahl von Gleichrichtern oder einer durch eine
Mehrzahl von einzelnen Gleichrichtern gespeisten Gleichstromsammelschienen oder
Bürde verrechnet werden.
-
Der Umformer 10 ist eine bekannte elektrische Vorrichtung zum genauen
Messen von Wechselstromleistung in irgendeinem beliebigen Wechselstromsystem. Die
Wechselspannungen sowie die Wechselströme werden direkt oder durch Übertrager jeweils
zur Beeinflussung entgegengesetzter Lötstellen von Thermoelementen, Thermokreuzen
oder Gruppen von Thermoelementen verwendet, derart, daß die von den Thermoelementen
abgegebenen Spannungen ein Maß für dieWechselstromleistung ist. Derartige Meßinstrumente
sind als »Thermal Converter« oder »Lincoln Converter« bekannt. Der Gleichspannungsmesser
6 ist ein normales Gerät zum Messen von Spannungen sowie zum Umwandeln derselben
in andere Einheiten zwecks Aufzeichnung oder Weitergabe an andere Meßgeräte, wobei
der über die Leitung 8 abgegebene Meßwert der an den Leitungen 4 und 5 tatsächlich
gemessenen Spannung proportional ist.
-
Die Gleichstrommeßvorrichtung 7 kann aus normalen oder standardisierten
elektrischen Elementen oder Kreisen aufgebaut sein, um den Meßwert des Einganges
9 durch den Meßwert des Einganges 8 zu dividieren und den Quotienten mit dem Wirkungsgrad
des Gleichrichters 3 zu multiplizieren. Der Wirkungsgrad wird dabei von einem elektrischen
Konstantwert dargestellt. Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Schaltanlage.
-
Obwohl die Einheit 7 normalerweise als elektrische Vorrichtung aufgebaut
ist, kann sie auch mechanische Elemente aufweisen. Demgemäß können z. B. die Meßwerte
der Leitungen 9 und $ durch bekannte Verfahren in Luftdrücke umgewandelt, die Division
der Ausgangswerte des Spannungsmessers 6 sowie des Umwandlers 10 und die Multiplikation
mit dem Wirkungsgrad des Umformsystems ebenfalls durch bekannte pneumatische Mittel
vorgenommen werden.
-
Wie aus dem Obenstehenden ohne weiteres einleuchtet, läßt sich die
Messung hoher Gleichströme vermittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit bekannten,
genauen,
jedoch verhältnismäßig billigen und äußerst kleinen elektrischen Elementen bequem
verwirklichen. Die verwendeten Geräte sind leicht einzubauen und zu eichen, sie
erfordern nur ein Mindestmaß an Wartung. Der Wirkungsgrad des Umwandluhgssystems
läßt sich leicht durch eine Methode der Summierung der Einzelverluste errechnen.
Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Quotienten von Ausgangsleistung einerseits
und Ausgangsleistung plus Gesamtverluste andererseits. Zur Feststellung der Gesamtverluste
werden beispielsweise die venvendeten Transformatoren im Leerlauf erregt. Die gesamte
Eingangsleistung entspricht dabei den Eisenverlusten der Transformatoren. Ein Kurzschlußversuch
liefert dann die gesamten Kupferverluste der Transformatoren. Durch bekannte Rechenverfahren
lassen sich aus diesen Versuchen die gesamten Transformatorverluste bei gewöhnlichen
Betriebsbedingungen bestimmen. Entsprechende Messungen werden dann im ganzen Umformungssystem
durchgeführt, einschließlich der Anschlüsse zu den Primärseiten der Transformatoren,
der Gleichrichterspeiseleitungen, der Gleichrichter selbst, aller Sammelschienen-
oder Netzanschlüsse innerhalb des Gleichrichtersystems usw.
-
Der Wirkungsgrad des oben beschriebenen und in den Zeichnungen veranschaulichten
Systems zur Erzeugung der Gleichstromleistung wird für gewöhnlich durch ein Verfahren
der Summierung der Verluste bestimmt. Es versteht sich, daß beim Bestimmen des Wirkungsgrades
eines beliebigen Umformungssystems durch diese Methode auf die von dem System ,,eführten
spezifischen Belastungen geachtet werden muß, da der Wirkungsgrad des Gesamtsystems
mit der von dem System geführten spezifischen Belastung schwankt. Diese Schwankungen
beeinflussen die Genauigkeit der Strommessung insofern, als der den Wirkungsgrad
des Umformsystems darstellende Konstantwert eine veränderliche Größe sein kann.
Ist die Änderung bei unterschiedlichen Belastungen klein, gegenüber dem erzeugten
Gesamtstrom, so läßt sich ein mittlerer, den durchschnittlichen Wirkungsgrad des
Systems bei beliebiger Belastung darstellender Wert verwenden. Wenn es jedoch erwünscht
ist, eine bei allen Belastungen äußerst genaue Strommessung zu erhalten, läßt sich
durch eine einfache Anordnung erreichen, daß die Werte für die Wirkungsgrade der
unterschiedlichen Belastungen bequem durch Drehen einer Skala eingestellt werden.
Auf diese Weise steht zu jeder Zeit eine vollständige und genaue Aufzeichnung der
Gleichstrommessung in den vorbeschriebenen Systemen zur Verfügung.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung für eine bestimmte Ausführungsform
beschrieben und veranschaulicht worden ist, versteht es sich, daß für die Messung
von Eingangsleistung und Ausgangsspannung viele Abwandlungen der verwendeten elektrischen
Vorrichtungen möglich sind, ohne daß hierdurch das Wesen und der Umfang der vorliegenden
Erfindung verlassen werden. Demgemäß ist die besondere Ausführung der Schaltanordnung,
der Meßdrähte, der Spannungsteiler u. dgl. so lange ohne Bedeutung, wie
die Schritte
des Verfahrens erhalten bleiben. Die zur Verwirklichung der gemäß vorliegender Erfindung
erforderlichen mathematischen Ausrechnungen verwendete Schalteinrichtungen und -anlagen
lassen sich ebenfalls in weitem Ausmaß ändern.
-
Ebenso können bei Durchführung der Multiplikation und Division mechanische
oder pneumatische Mittel verwendet werden, ohne hierdurch das Wesen der Erfindung
zu beeinflussen.