DE1766559C2 - Phasenkunstschaltung für technische Leistungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenkunstschaltung für technische Leistungsmesser zur Anwendung im Zusammenhang mit einem Multiplikator mit zwei Eingängen mit ohmschen Eingangswiderständen zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von 90°, wobei mit Hilfe von Impedanzschaltungen eine frequenzünabhängige Phasendrehung erzeugt wird.

Eine solche Phasenkunstschallung eignet sich insbesondere in Verbindung mit bekannten Wirkleistungsmeßgeräter zur Messung und Anzeige der Blindleistung. Der Ausschlag eines Wirkleistungsmesser ist dem Produkt Ul- cos ψ proportional. Dabei ist U die Spannung, / der Strom und q der Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom. Eine Anzeige der Blindleistung läßt sich bekanntermaßen dadurch erreichen, daß man die Stromstärke oder die Spannung um 90" verschiebt, so daß der Ausschlag des Leistungsmessers dem Produkt so

U ■ I ■ cos (90" -ψ) = U ■ 1 ■ sin 7

proportional ist. Man erhält also einen Blindleistungsrhesser, wenn man einem Wirkleistungsmesser eine Kunstschaltung zur 90"-Phasenverschiebung vorschaltet.

Bekannt sind solche Kunstschaltungen zur Phasenverschiebung beispielsweise aus dem »Archiv für Technisches Messen«, V 3421-1, August 1948, Z 61-3, März 1942, und Z 61-4, Mai 1942. Diese bekannten Kunstschaltungen sind, wie beispielsweise die in Bild 2 des ATM V 3421-1 gezeigte »Hummel-Schaltung«, äußerst aufwendig und sie sind so ausgelegt, daß sie einkreisig eine Phasenverschiebung von genau 90° erzielen. Nachteilig ist bei diesen einfächeren Kunstschaltungen jedoch, daß sie nach Betrag oder Phase oder nach beiden stark frequenzabhängig sind, zum Teil ergibt sich sogar eine quadratische FrequciMibhilngigkcit. Daher arbeiten mit solchen bekannten Phasenkunslschultungen uiisgerüstete Lciumgsmesser nur bei einer einzigen Frequenz, nämlich der sogenannten Nenn frequenz/,, innerhalb der Klassentolerunz. Bei Frequenzabweichungen von nur 10% von der Nennfrequenz ergeben sich bei diesien bekannten Schaltungen schon Meßfehler von rund 6%, die üblicherweise nicht akzeptiert werden körnen Die Fehler werden um so größer, je größer der geforderte Verschiebungswinkel ist und je mehr die Frequenz von der Nennfrequenz abweicht. Es sind daher auch schon Schaltungen entwickelt worden, die diese Nachteile beseitigen sollen (s. beispielsweise ATM Z 61-3, März 1942 und ATM Z 61-4, Mai 1942). Dem Bild 4 des ATM Z 61-4 läßt sich eine Präzisioris-90°-Schaltung mit Leistungsentnahme als bekannt entnehmen, bei der sowohl eine Frequenz- als auch eine Temperaturkompensation vorgesehen ist, die jedoch bei einkreisigem Aufbau außerordentlich kompliziert ist und außer einer Vielzahl von Widerständen, Spulen und Kondensatoren eine mittelangezapfte Spule mit Gegeninduktivität benötigt

Bekannt sind zur Blindleistungsmessung darüber hinaus die ihrem Wesen nach direkt die Blindleistung messenden Ferraris- oder Induktions-Meßgeräte. Zur Literatur sei in diesem Zusammenhang verwiesen auf das Buch »Elektrische Meßgeräte und Meßeinrichtungen« von Albert Palm, 2. Aufl., Springer-Verlag 1942, 1944, die Seiten 82 bis 85, auf die Promotiorisarbeit von F. Tschappu »Untersuchungen über die Temperaturabhängigkeit der Induktionszähler«, ΕΤΗ-Prom. Nr. 2295, Juris-Verlag Zürich, 1954 sowie auf die Schweizer Patentschrift 1 12423 und die DT-PS 6 85 129. Diese Induktionsgeräte sind so ,lufgebaut, daß auf eine normalerweise aus Aluminium bestehende Trommel zwei von getrennten Spulen erzeugte Felder Φ\ und Φ 2 einwirken. Durch diese Einwirkung auf den gleichen Aluminiumzylinder ergibt sich auch die Multiplikationswirkung, die zur Messung einer Blindleistung oder eines Blindverbrauchs erforderlich ist. Hierzu ist die eine Spule mit den Spannungsklemmen des Verbrauchers verbunden und wird daher auch als Spannungsspule bezeichnet, während die andere Spule mittelbar oder unmittelbar von dem zu messenden Strom durchflossen ist und daher die Stromspule bildet. Als Wert für das elektrische Drehmoment ergibt sich die folgende, beispielsweise auf Seite 82 des erwähnten Buches von Palm angegebene Drehmomentformel:

Me = const· ΦΙ · 02-/sin ( <3 <7>1, 02).

E>as Drehmoment Me weist eine lineare Abhängigkeit von der Frequenz, den beiden erregenden Magnetfeldern und dem Sinus des von den Feldern eingeschlossenen elektrischen Winkels auf. Den weiteren Ausführungen auf Seite 82 läßt sich entnehmen, daß die Felder Φ1 und Φ2 je nach Schaltung unter Umständen in größerem Maße von der Frequenz abhängig sind und diese Tatsache dazu ausgenutzt wird, um die natürliche, sich aus der Drehmomentformel ergebende Frequenzabhängigkeit der Induktionsgeräte in gewissen Grenzen zu vermindern, so daß etwa der Frequenzfehler zwischen 48 und 50 Hz unter 0,5% liegt.

Da es bei einem Ferraris-Meßgerät schwierig ist, den von der Spannungsspule erzeugten Fluß in Phase mit der Speisespannung zu bringen, macht man den Winkel zwischen der Speisespannung und dem von

3 4

ι r Soannungsspule ausgehenden Fluß möglichst einen Stromkreis die Spannung über dem J

Sin was durch Vorschalten eines ohmschen Wider- gegen Masse von einer nachgeschalteten.1

ί andes al iert werden kann und mach, den Winkel röhre und bei dem anderen Stromkreis ^ Spannung

Siehe, dem speisenden Strom und der Stromspule über dem Kondensator gegen Masse, ,ebenfalls von

SlS!l «roß, und zwar durch einen Parallelwider- 5 einer nachgeschalteten Elektronenröhre abgetane

_zu S romspule. Eine solche Schaltungsanord- und einem in Form eines Operationeve«tirkorsdw

n? läßt sich der weiter vorn schon erwähnten gebildeten Summierglied zugeführt wird. ^⁰"

rH^gpS I 12423 entnehmen. Bei sich ändernder Fre- auf Masse als Nullpunkt, «rpben «ch . einem

Ständern sich die Phasendrehungen de, beiden, Vektordiagramm bei entsprcchendem AWjjh der

ch die Phasendrehungen de, beiden,
SSS-Äle «nd Stromspu, enthaltenden Ne,- ₁₀ beKien ^^^Ϊ

^WtÄ^s^derlnduktionsgerätekönnenauch spannungen, die vektoriell addiert

thlt

•inch as WirKieiSlUngsiucasci uci Yciwcuuuufc --- . , . _r ·,

,eeigneter vorgeschalteter Phasenkunstschaltungen -- *™™^™^™^f_{sich der} Vorteil, daß unter

eingesetzt, wenn das Drehsystem redergefessell ist. In Bei der Erfindung eiycsi elektrischen

beiden Fällen weisen solche Geräte neben der Fre- Verwendung von ™^r&™"™^ _freqUcnzunab-

"uenzabhängigkeit auch eine beträchtliche Tempera- ao ^ <—^

,rabhängigkeit auf, die bei der Verwendung eines hangige Phasend™^on t _unmiltelbar

Ferraris-Meßwerks als Verbrauchszahler durch eine "'· ^ „fiSSnMullipliblor, auch elek-

entsprechende gegenläufige Temperaturabhängig von »ne naJ%»cha ete J^ _{werden können}.

_der Bremsvorrichtung auf technisch akzeptable Werte ^ΙΓΟ^" ^Herden Aufbau und Wirkungswe.se

,„,ι,,,Ιργι wird. ²5 . t> ._..._· i„ j„-CrfinHunn anhand der

der bremsvuii ii-iiiuiig, uu. .~~ „₍

reduziert wird. _Z5 im folgenden werden Autbau una wiiMiug.-,™..·.^ Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der geringstem Aufwand eine Phasenkunstschaltung für Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt technische Leistungsmesser zu schaffen, bei der die F i g. 1 die Phasenkunstschaltung zur Durchfiiheinem nachgeschalteten Multiplikator zugeführten rung einer 90-Phasenverschiebung mit nachgesehal-Ausgangsgrößen in ihrer zusätzlichen Phasendrehung 30 tetcm Multiplikator zur Blindleistungsmess.ung, frequenzunabhängig und im Produkt ihrer Beträge Fig. 2a das Zeigerdiagramm der Spannungen und innerhalb des interessierenden Frequenzänderungs- Siröme des Netzwerks im Spannungspfad und bereichs in ausreichendem Maße frequenzunabhängig Fig. 2 b das Zeigerdiagramm der Spannungen und sind, so daß auch hohen Genauigkeitsansprüchen ent- Ströme des Netzwerks im Strompfad, sprochen werden kann. 35 F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zu. Mes-Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus sung der einphasigen Blindleistung. Zwischen den von der eingangs genannten Phasenkunstschaltung Ausgangsklemmen 1 und 2 eines Stromwandler 3 und besteht erfindungsgemäß darin, daß zur Durch- und den Eingangsklemmen 4 und 5 eines Multipliführung einer ersten Teilphasendrehung ein erster, kators 6, z. B. der Multipliziereinrichtung nach dem an die Spannungsanschlüsse des Verbrauchers ge- 40 Zweiparabelverfahren, wie sie aus der deutschen schalteter Stromkreis aus der Reihenschaltung eines Auslegeschrift 12 60021 bekannt ist, liegt der Konden-Widerstandes R₁, eines Kondensators C, und des sator C₂. Zwischen der Ausgangsklemme 7 des Spancinen Eingangswiderstandes R₃ des Multiplikators nungswandlers 8 und der Eingangsklemme 9 des und zur Durchführung einer zur ersten Teilphasen- Multiplikators 6 liegt die Reihenschaltung eines Widrehung gegensinnigen, gleich großen Teilphasen- 45 derstandes R₁ und eines Kondensators C₁. Die Ausdrehung ein zweiter, in den Strompfad des Ver- gangsklemme 10 des Spannungswandlers 8 ist direkt brauchers geschalteter Stromkreis vorgesehen ist, mit der Eingangsklemme 11 des Multiplikators der die Parallelschaltung eines Kondensators C₂ mit verbunden. Der Multiplikator 6 bildet das Produkt dem anderen Eingangswiderstand R₄ des Multipli- aus den an den Eingangswiderständen R₃ und R₄ kators aufweist, und daß für den ersten Stromkreis die 5° abfallenden Spannungen. Dieses Produkt wird in der Abgleichbedingung 2.π/„■ (R₁ + R₃) ■ C₁ = 1 und für Form eines pulsierenden Gleichstromes 3 _a an den den zweiten Stromkreis die Abgleichbedingung Ausgangsklemmen 12 und 13 abgegeben, an die ein 2.-r/„ R₄ · C₂, = 1 gilt. Drehspulmeßwerk 14 angeschlossen ist, das den Mit-Schutz wird nur beansprucht für die Gesamtheit teiwert des Gleichstromes bildet. Die Anzeige des der Merkmale. 55 Drehspulmeßwerks 14 ist ein Maß für die Blind-Bekannt ist zwar die Möglichkeit von Teüphasen- leistung.

drehungen unter Verwendung von zwei getrennten Die phasenverschiebende Wirkung der Netzwerke Stromkreisen, von denen jeder zur Gesamtphasen- im Spannungspfad (zwischen den Klemmen 7, 9, drehung beiträgt, aus einer Phasenkunstschaltung, die 10, 11) und im Strompfad (zwischen den Klemmen 1, sich der GB-PS 8 59 942 entnehmen läßt. Die bekannte 60 2, 4, S) ist in den Fig. 2a und 2b an Hand von Phasenkunstschaltung dient zur rechtwinkligen Addi- Zeigerdiagrammen für die Nennfrequenz/„ erläutert, tion von Signalen, insbesondere von amplituden- Die Spannung U₁ ist die Ausgangsspannung des als modulierten Trägerfrequenzen. Jeder Stromkreis ver- ideal angenommenen Spannungswandlers 8. Der fügt über einen übertrager, dessen Sekundärwicklung Strom31 fließt durch die Reihenschaltung des Widercine mit Masse verbundene Mittelanzapfung aufweist. (15 Standes R₁, des Kondensators C₁ und des Wider-Die äußeren Anschlüsse der Sekundärwicklung sind Standes R₃. Der Strom^2 ^ist ^^er Ausgangsstrom des über die Serienschaltung jeweils eines Kondensators als ideal angenommenen Stromwandlers 3. Die Indizes imH pines Widerstandes verbunden, wobei bei dem der nicht genannten Spannungen und Ströme bezeich-

neu die entsprechenden Bauelemente. Für das in den Zeigerdiagrammen gewählte Beispiel eilt der Strom j ₂ der Spannung U₁ um den Winkel q = 30" vor.

Der Kondensator C₁ ist so bemessen, daß bei Ncnnfrcqucnz der Strom 31 und damit auch die Spannung U_K3 der Spannung U₁ um 45" vorauseilt. Damit ergibt sich Rir die Bemessung des Kondensators C₁ die folgende Gleichung:

vergrößert sich, wobei das Verhältnis der Beträge der Spannungen

K,

1st diese Bedingung erfüllt, so gilt Für den Winkel 7,, zwischen U₁ und^i bei einer beliebigen Frequenz/ die folgende Beziehung mit «>„ = 2nf„:

lein ff _u — "~ ■ ~~

L·

Der Kondensator C₂ ist so bemessen, daß bei Nennfrequenz der Strom j_R4 und damit auch die Spannung U_R4 dem Strom3₂ um 45" nacheilt. Damit ergibt sich Tür die Bemessung des Kondensators C₂ die folgende Gleichung:

konstant bleibt.

Die Spitze des Zeigers J _R4 in F ig. 2 b bewegt sich bei einer Erhöhung der Frequenz in Pfeilrichtung auf einem Halbkreis mit dem Zeiger des Stromes J₂ als Durchmesser, der Betrag des Stromes ~\ _K4 verringert sich und ebenfalls der Betrag der ihm proportionalen Spannung U_R4. Bei einer Verringerung der Frequenz bewegen sich die Spitzen der Zeiger U_n und'3ii4 entgegen der eingezeichneten Pfeilrichtung.

Durch den oben vorgenommenen Abgleich auf Frequenzunabhängigkeit des gewünschten Phasenwinkel hat sich die Anzahl der freien Parameter verringert. Es bestehen die beiden Bedingungen:

und

R₃)C₁ = 1

C₂ = I.

R₄ =

Für die Frequenzabhängigkeit der Beträge der Spannungen U _R3 und U_R4 ergeben sich die folgenden Beziehungen:

1st diese Bedingung erfüllt, so gilt für den Winkel 7, zwischen U _R4 und^l ₂ bei einer beliebigen Frequenz f die folgende Beziehung:

.1°

tan

Jn Jn

.15

Das

Bei der Bildung des Produkts der in Exponentialform vorliegenden Spannungen U_R1 undU_R4 werden die Amplituden multipliziert und die Winkel addiert. 40

Es läßt sich zeigen, daß die sich aus der Summe der ^im Teilphasendrehungen 7, und 7,, zusammensetzende Gesamtphasendrehung von 90" frequenzunabhängig ist. Ersetzt man in der folgenden bekannten Formel:

„4

URy - U, ·	Λ R1 + R3	Ψ	1 + ( -". J
Uh4 = I2	R4 : 1/'·	1	U
Produkt der ist damil:	\ Beträge	der	Spannungen U H

K₃R₄

lan ι/, -- lani/_M

lan Vi +'/„ ~ ι . .

'' '" I- tan 1/, · tan ι/,,

den zweiten Term im Nenner der rechten Seite durch die weiter oben gefundenen, auf die Frequenzen _J0 bezogenen Ausdrucke, dnnn wird dieser Term ebenfalls zu I, und die rechte Seite der Gleichung wird unendlich groß, was einem Winkel von 90" für die gewünschte zusätzliche Gcsumtphuscndrchung entspricht. _;5

Auch frequenzunabhilngige Fehlwinkcl der Wundler 3und8sowicdcsnuchgcschtiltctcn Multiplikators 6 können in den oben beschriebenen Abgleich einbezogen werden.

Stimmt die Frequenz j nicht mil der Nennfrequenz (_l0 ,/,, Uberein, so lindern sich bei konstantem Betrug der Spannung U, bzw. des Stromes ^j die Spunnungen U _Λ, und U„4 folgendermaßen:

Die Spitze des ZeigersU_n in Fig. 2u bewegt sich bei einer Erhöhung der Frequenz in PTeilriehtung auf einem Halbkreis mit dem Zeiger der Spannung U₁ als Durchmesser, der Betrug der Spannung U_n verringert sich, der Kdrug dd ίίραηηυημ U_1n Die folgende Tabelle zeigt das Produkt (',<< U_Hg für verschiedene Werte von _r :

I I,

0.85 0,90 0,95 1,00 1.05 1,10 1.15 1.20

0,9756 0,9869 0,9945 0.9987 1.(X)OO 0.998H 0.9955 0.9903 0,9836

Der Fehler isi bei einer Abweichung der Frcquci um 10% von der Nennfrequen·.'. als» kleiner als !"■

I Iu 1/ti ¹ lllall /Hi'liniiiiL'i'ii

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Phasenkunstschulmng für technische Leistungsmesser zur Anwendung im Zusammenhang mit s einem Multiplikator mit zwei Eingüngen mit Ohmschen Eingangswiderständen zur Erzeugung einer Phasenverschiebung von 90°, wobei mit Hilfe von Impedanzschaltungen eine frequenzunabhängige Phasendrehung erzeugt wird, gekennzeich- ίο net d u r c h die Gesamtheit folgender Merkmale: zur Durchführung einer ersten Teilphasendrehung («/„) ist ein erster, an die Spannungsanschlüsse des Verbrauchers geschalteter Stromkreis (7, 9, 10, 11) aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (K₁), eines Kondensators (C₁) und des einen Eingangswiderstandes [R₃) des Multiplikators und zur Durchführung einer zur ersten Teilphasendrehung gegensinnigen, gleich großen zweiten Teilphasendrehung (</,·) ein zweiter in den Strompfad des Verbrauchers geschalteter Stromkreis (1, 2,4, 5) vorgesehen, der die Parallelschaltung eines Kondensators (C₂) mit dem anderen Eingangswiderstand (R₄) des Multiplikators aufweist und für den ersten Stromkreis gilt die Abgleichbedingung 2.-r/„ (R₁ + R₃)- C₁ = 1 und für den zweiten Stromkreis die Abgleichbedingung 2.,/,,R₄C₂= I.