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Wirkleistungsmeßeirrrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung
V#I zum Messen der Wirkleistung W = # cos # mit 2 einem Kreis, der von einem Strom
mit dem Momentanwert I cos cos t - (p) durchflossen wird und an dem eine Spannung
mit dem Momentanwert v = V cos w t liegt, wobei V höchstens in der Größenordnung
von 1 20 01o um einen Mittelwert schwankt.
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Es ist bekannt, daß die Wirkleistungsaufnahme in einem Element eines
Stromkreises, in dem ein Strom von der Stärke i bei einer Momentanspannung v fließt,
der Mittelwert des Produktes (i v) ist.
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Setzt man: v = V # cos # t, i = I # cos (# t - #), worin V bzw. I
die amplituden von v bzw. i, w die Kreisfrequenz und # die Phasenverschiebung vn
i gegenüber v bezeichnen, dann ist die mittlere Leistungs-V#I aufnahme des Kreises
W = cos #.
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2 Um dieses Produkt zu erreichen, könnte man einen gewöhnlichen linearen
passiven Gegentaktmodulator, z. B. einen Ringmodulator benutzen, an dessen Eingangskreis
der Strom i oder ein dem Strom i proportionaler Strom gelegt würde, und dessen Steuerkreis
die
Spannung v erhielte. Der sich im Ausgangskreis einstellende Strom würde dann den
Wert annehmen:
und die Gleichstromkomponente des Stromes würde proportional f(V) I cos g sein.
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Aber f(V) ist nur bei sehr kleinen Werten dieser Spannung proportional
V und versucht andererseits, wenn v gegenüber I groß genug wird, konstant zu werden.
Mit einer Einrichtung, die nur einen Gegentaktmodulator besitzt, ist also nur bei
sehr niedrigen Spannungswerten ein Strom zu erhalten, dessen mittlereer Wert eine
von der Streuung der Kennlinien der nichtlinearen Elemente dieses Modulators unabhängige
Messung des Produktes V I cos f ergibt und daher den Bedürfnissen der Praxis nicht
genügt.
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Die Einrichtung gemäß der Erfindung vermeidet diesen Nachteil. Sie
zeichnet sich aus durch einen eingangsseitig an die Spannung v zu legenden Differentialübertrager,
dessen eine Ausgangsspannung, über eine begrenzerschaltung und ein Filter zugeleitet,
das eine Phasenverschiebung von 90° bewirkt, die eine Eingangsspannung eines weiteren
Differentialübertragers darstellt und dessen andere Ausgangsspannung, über ein Dämpfungsglied
zugeleitet, die andere Eingangsspannung des Differentialübertragers bildet, sowie
durch zwei Gegentaktmodulatoren, deren eine
Steuerspannung v1 = H # sin (# t - α)
von der Sekundärwicklung des Differentialübertragers und deren zweite Steuerspannung
v2 = H # sin (# t + α) zwischen der Mittelanzapfung der Primärwicklung des
Differentialübertragers und dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Begrenzerschaltung,
Filter und Dämpfungsglied abgenommen wird, wobei diese beiden Steuerspannungen v1
und v2 im wesentlichen gleiche Amplitude haben, und der Winkel α kleiner als
10°, so daß kV tg α = ist, worin k eine Konstante und V0 eine V0 durch die
Begrenzerschaltung definierte Bezugsspanung ist, deren Eingangskreise von einem
Strom i = Icos (wt-#) gespeist werden und deren Ausgangskreise über Tiefpaßfilter,
die nur deren Gleichstromkomponenten durchlassen, deren Differenz proportional I
# cos # # sin α ist, worin sin α annähernd proportional V ist, wodurch
diese Differenz annähernd proportional V 1 cos ? ist, an die erste bzw. zweite Diagonale
einer Ohmschen Widerstandsbrücke angeschlossen sind, in deren einem Zweig ein die
Wirkleistung anzeigendes Gleichstrommeßgerät liegt.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise einer solchen Einrichtung mit Bezug
auf die F i g. 1 und 2 erläutert, die eine Grundschaltung und eine Ausführungsform
darstellen.
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Die Einrichtung besitzt Mittel, um Hilfsspannungen v1 und v2 zu erzeugen,
und zwar v1 = H sin (w t-V2 = H sin (co t + as).
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Diese Spannungen werden an die Steuerklemmen zweier Ringmodulatoren
M1 und M2 gelegt, deren Eingangskreise von einem Strom proportional i gespeist werden.
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In dem Ausdruck v1 und v2 ist α durch tgα = k V/V0 definiert,
worin k eine Konstante und V0 eine Bezugsspannung bedeuten. Diese beiden sind so
gewählt, daß α ziemlich klein bleibt.
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Die Amplituden von v1 und v2 können in einem bestimmten Maße von
dem Winkel x und auch von
dem Wert V abhängen, aber die Tatsache, daß diese Amplituden
sich ändern können, hat keine praktische Bedeutung, denn da sie einen ausreichend
hohen Wert überschreiten, wirken die Modulatoren M1 und M2 wie Stromwender, und
ihre Betriebsweise hängt nur noch in sehr zweitrangiger Weise von diesen Amplituden
ab.
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Infolgedessen sind die Stromstärken i' und i" der gleichgerichteten
Gleichströme an den entsprechenden Ausgängen der Demodulatoren nicht mehr von diesen
Amplituden, sondern einerseits nur noch von der Amplitude I abhängig, die beide
Eingangsströme der Modulatoren gemeinsam haben, und andererseits von den Phasenwinkeln
zwischen I und v2. Gerade durch den Betrag des Winkels, der durch die obigen Formeln
definiert ist, wird die Größe der Spannung V bestimmt, denn der Sinus dieses Winkels
ist praktisch proportional V, wie im folgenden aus der Berechnung der Werte für
die Stomstärken von i' und i" hervorgehen wird.
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Diese Ströme sind:
und ihre Gleichstromkomponenten ic und i"c sind KI si 2 KI i"c = sin (# + α).
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Die Differenz (1" - 1') ist gleich KI cos #. sin a.
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Da nun für kleine Werte von α sin α und tg α annähernd
proportional V sind, ist diese Differenz annähernd proportional V 1 # cos #.
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Werden diese Ströme in einer abgeglichenen Brükkenschaltung kombiniert,
so erhält man in zwei ihrer gegenüberliegenden Zweige einen Strom i"c-i'c KI KI
kV kK j = = cos # sin α = cos # cos α # W, 2 2 2 V0 V0 dessen Stärke
proportional der zu messenden Leistung W ist, wobei angenommen wird, daß x klein
ist.
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Die Einrichtung, mit der die Spannungen v1 und v2 erzeugt werden
können, besteht aus zwei Kreisen, die an ihren Eingangsklemmen von der Spannung
v = V cos w t gespeist werden. Der erste Kreis besitzt eine passive Begrenzerschaltung
1 und ein Phasenverschiebungsfilter 2, das eine Phasenverschiebung von 90° bewirkt;
an ihrem Ausgang erhält man eine konstante Spannungsamplitude V0 sin w t. Der zweite
Kreis besitzt eine Dämpfungsschaltung 3: An deren Ausgang entsteht eine Spannung
k # V cos w t, in der k V wesentlich unterhalb von V0 (z. B. unterhalb Vo von 5
liegt. An ihren Ausgangen sind diese beiden Kreise an zwei einander gegenüberliegenden
Klemmenpaaren eines Differentialübertragers 4 geschaltet.
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An den zwei anderen einander gegenüberliegenden Klemmenpaaren dieses
Übertragers werden also folgende Spannungen abgenommen: V0 v1 = V0 sin w t - kV
cos w t = sin (w t - α), cost α v2 = V0 sin # t + k V cos w t = V0 sin((nt+
α). cos α Diese Spannungen v1 und v2 werden, wie bereits erwähnt, an
die Steuerklemmen zweier Ringmodu-
latoren M1 und M2 gelegt, deren Eingangskreise
von einem Strom gespeist werden, der proportional i = I cos (w t -#) ist.
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Die Ausgangskreise M1 und M2 sind mit Tiefpaßfiltern 5 und 6 verbunden,
an deren Ausgang nur die Gleichstromkomponenten der Modulationsprodukte liegen.
Diese Gleichstromkomponenten liegen an den Eingangsklemmen einer Mischeinrichtung
7, an deren Ausgang ein Gleichstrom abgenommen wird, der proportional ihrer Differenz,
die, wie bereits erwähnt, proportional I # cos # sin α ist, und folglich genau
der Leistung W = t2 1 cos g proportional ist, weil sin α 2 und tg α
annähernd proportional sind. Dieser Strom wird an ein Meßinstrument 8 bekannter
Art gelegt.
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Als Beispiel mag angenommen werden, daß für den Normalwert der spannung
V α gleich 10° sei.
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Wenn dann V um # 20% schwankt, ändert sich a von 8,2" nach 11,57"
und cos α von 0,978 nach 0,990, so daß er einen Wert von 0,985 für die Normalspannung
der Schaltungsordnung besitzt. Die Ampliv0 tude von der Hilfsspannungen v1 und v2
bleibt cos α also völlig konstant, und der cos α proportionale Strom
ändert sich nur um l,20lo. Es wird also eine befriedigende Genauigkeit erzielt,
die noch vergrößert werden könnte, wenn der Wert für die Normalspannung verringert
würde.
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F i g. 2 stellt eine Ausführungsform der Meßeinrichtung gemäß der
Erfindung dar.
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Der Strom Ki = K 1 cos ((ot -Q) wird an die Klemmen aa' der Primärwicklung
des Eingangstransformators T1 eines ersten abgeglichenen Differentialnetzwerks D1
und die Spannung V # cos w t an die Klemmen bb' der Primärwicklung des Eingangstransformators
T2 eines zweiten Differentialnetzwerks D2 gelegt.
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Die Begrenzerschaltung 1 wird von zwei antiparallel geschalteten
Zenerdioden gebildet. Das Phasenverschiebungsfilter 2 besteht aus einer z-Tiefpaßschaltung.
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Die Modulatoren M1 und M2 sind Ringmodulatoren.
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Die Mischeinrichtung 7 ist eine Brücke mit gleichen Zweigen. In einem
dieser Zweige liegt ein Meßgerät 8, auf dessen Skala die Wirkleistung W = V # I/2
cos # abzulesen ist.
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Selbstverständlich würde man, wenn man das 90° verschiebende Phasenverschiebungsfilter
statt an den Ausgang der Begrenzerschaltung an den Ausgang der Dämpfungsschaltung
legen würde, die Blindleistung W'= U # I/2 sin # statt der Wirkleistung W = U #
I/2 cos # messen.