DE248009C

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Publication number: DE248009C
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Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

PATENTSCHRIFT

- M 248009 KLASSE 21 e. GRUPPE

CARL TOBIAS in BUDAPEST.

Den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet eine auf dem Ferraris'schen Induktionsprinzip beruhende Meßvorrichtung, mittels welcher die Verhältniszahl von elektrischen Wechselströmen bzw. die Verhältniszahl von Produkten von Wechselströmen angezeigt werden kann.

Fig. ι der Zeichnung dient zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser nach Art der Induktionsmeßgeräte gebauten Vorrichtung, Fig. 2 und 3 dagegen veranschaulichen beispielsweise zwei Ausführungsformen der Vorrichtung selbst in schematischer Darstellung.

Es ist eine allgemein bekannte Tatsache, daß mit Hilfe von gekreuzt angelegten Spulen, in welchen die phasenverschobenen Wechselströme von der Stärke % und i₂ fließen, ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird. Ordnet man nun in einem solchen Drehfelde einen um eine Achse vollkommen symmetrisch verteilten Metallkörper derart an, daß dessen Achse mit der des magnetischen Drehfeldes zusammenfällt, so erfährt der Metallkörper infolge der Induktion ein mit der Drehrichtung des Feldes gleichgerichtetes Drehmoment, dessen Größe durch die Gleichung M-C₁-I₁- i₂ ausgedrückt werden kann, wobei C₁ einen Proportionalitätsfaktor bedeutet, welcher mit dem Sinus der Phasenverschiebung der Ströme I₁ und i₂ proportional ist, so daß C₁ = X₁- sin φ_χ ist. Dies ist die Grundlage der nach Ferraris benannten Meßinstrumente.

In Fig. ι ist nun eine Vorrichtung dargestellt, bei welcher die gekreuzt angelegten Spulen mit den phasenverschobenen Strömen i_x und i₂ ein magnetisches Drehfeld mit einer lotrecht auf die Zeichnungsebene gerichteten Achse 0 erzeugen, wobei das Drehfeld z. B. entgegengesetzt der Drehrichtung des Uhrzeigers rotiert. In diesem Drehfelde wird nun ein Metallkörper B, der auf einer leichtbeweglichen Achse A mit exzentrisch verteilter Masse befestigt ist, derart angeordnet, daß die Achse A des Körpers wohl zur Achse 0 des Drehfeldes parallel gerichtet ist, mit derselben jedoch nicht zusammenfällt.

Unter solchen Umständen geschieht nun folgendes:

Das Drehfeld übt auf den Metallkörper ein Drehmoment aus und ist bestrebt, denselben in seiner Drehrichtung fortzubewegen. Die vielen kleinen Kräfte, die in dem Metallkörper infolge der Einwirkung des Drehfeldes entstehen, können durch eine resultierende Kraft P ersetzt werden, die den Körper im Punkte S angreift und die selbstverständlich senkrecht zur Linie 0 S verlaufen muß. Diese Kraft P ruft nun ein Drehmoment von der Größe M = P · α auf die Drehachse A des Körpers B hervor, die das Bestreben hat, den Körper um seine Achse herum zu bewegen.

Falls dieser Verdrehungstendenz kein Widerstand entgegentritt, erfolgt die Verdrehung, erfährt jedoch eine Grenze in der punktiert angedeuteten Stellung B₁ des Metallkörpers,

die dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf die Linie O S₁ noch immer senkrecht gerichtete resultierende Drehkraft P die Achse des Metallkörpers A schneidet, d. h. daß die Armlänge α dieser Drehkraft im Laufe der Verdrehung gleich Null geworden ist.

Das Drehmoment, welches den Körper B in Bewegung versetzte, hat sich demnach von der Größe Ρ·α auf Null· reduziert. . Dies geschieht nicht sprungweise, sondern allmählich, indem α sich umsomehr vermindert, je näher der Körper B zu der mit Index ι bezeichneten Grenzstellung gelangt.

Die andere Grenzstellung des Körpers B ist in der Zeichnung gleichfalls mit Strichlinien dargestellt und mit Index 2 bezeichnet. Das den Körper B bewegende Drehmoment erreicht in dieser Stellung sein Maximum, weil auch die Armlänge α ihren größten Wert aufweist.

Durch die exzentrische Anordnung eines auf seiner Achse exzentrisch befestigten Körpers in einem magnetischen Drehfelde kann man demnach bewerkstelligen, daß das den Körper bewegende Drehmoment im Sinne seiner Drehrichtung sich selbsttätig vermindert und in dem seiner Drehrichtung entgegengesetzten Sinne sich selbsttätig vergrößert. Drückt man dieses Drehmoment als Funktion seiner eigentlichen Erzeuger, der phasenverschobenen Ströme i¹ und i₂ aus, so erhält man die Gleichung M — c_x· i_x· i₂.

In diesem P'alle ist C₁ keine Proportionalitätskonstante, sondern eine veränderliche Größe, die ihren Maximalwert in der mit Index 2 bezeichneten Lage des Körpers B erreicht, in der mit Index 1 bezeichneten Lage dagegen gleich Null wird. Im übrigen steht C₁ auch diesmal mit dem Sinus der Phasenverschiebung der Ströme I₁ und ?_a in dem obenerwähnten Zusammenhang.

Diese Eigenschaft dieser Vorrichtung wird nun zur Bestimmung der Verhältniszahl von Wechselströmen wie folgt 'benutzt.

Auf die Achse A des Körpers B wird ein symmetrischer, zentrisch angelegter Körper C (Fig. 2) befestigt, der den drehbaren Teil eines gewöhnlichen Ferraris'schen Instrumentes darstellen kann, d. h. der Körper C befindet sich in einem Drehfelde, dessen Achse mit C konzentrisch ist. Dieses Drehfeld sollen die phasenverschobenen Ströme i₃ und i₄ erzeugen, vollkommen unabhängig vom Drehfelde der Ströme I₁ und z₂. die mittels eines getrennten Drehfeldes auf die obenbeschriebene Weise auf den asymmetrisch angelegten Körper B einwirken. Das Drehfeld der Ströme i₃ und i_i soll dem von i_x und i₂ entgegengerichtet sein.

Der leichteren Übersichtlichkeit halber sind die die Drehfelder erzeugenden Spulen in der Figur nicht angedeutet.

Das veränderliche Drehmoment, welches durch I₁ und i₂ erzeugt wird, soll M = C₁ · i_x · i_z betragen, das unveränderliche dagegen, hervorgerufen durch i_s und i_it soll die Größe N ■= c₂· i₃ > I₁ aufweisen, wobei c₂ = #₂ · sin φ₂ ist, wenn φ₂ den Phasenverschiebungswinkel zwischen den Strömen i_z und J₄ bezeichnet. Die beiden Drehmomente sind einander entgegengesztzt; das größere hat daher im Augenblicke seines Entstehens das Bestreben, das bewegliche System im Sinne seiner eigenen Drehrichtung zu verdrehen. Es sind demnach zwei Fälle zu unterscheiden.

1. Ist M größer als N, so erfolgt eine Verdrehung im Sinne der Drehrichtung von M, wodurch M jedoch sich selbsttätig verrringert, so daß endlich M = N wird und ein Gleichgewichtszustand eintritt. .

2. Ist N größer als M, so erfolgt die Verdrehung im Sinne von N-, wodurch M jedoch an Größe zunimmt, bis der Gleichgewichtszustand N == M wiederhergestellt ist. Im Gleichgewichtszustand ist jedoch die Gleichung .

C₁ · I₁ · «₂ = C₂ · I₃ · *₄; d. h. -—₇~ == —-

H ' ⁱ4 ^Cl

gültig.

Die Verhältniszahl der Stromprodukte läßt _go sich demnach auf einer Skala mittels eines auf der Achse A befestigten Zeigers anzeigen, falls die Verhältniszahl der Koeffizienten C₁ und c₂ rechnerisch oder empirisch als Funktion des Zeigerausschlages vorher bestimmt worden ist.

Es kann jedoch an Stelle des gewöhnlichen Ferraris'schen Instrumentes mit zentrischem Drehkörper C auch ein solches mit exzentrisch angelegtem Drehkörper C, an den die resultierende Kraft Q angreift, in einem Drehfeld exzentrisch angeordnet werden (Fig. 3), d. h. es können zwei Vorrichtungen nach Fig. ι auf gemeinsamer Achse zusammengebaut werden, vorausgesetzt, daß die Drehmomente einander entgegenwirken, und daß (zwecks vollständiger Ausnutzung der Skala) das Maximum des einen Drehmomentes mit dem Minimum des zweiten zusammenfällt. Der Gleichgewichtszustand stellt sich nämlich bei einem solchen Apparat auch selbsttätig ein, da bei jeder Drehrichtung, solange das eine Drehmoment an Größe abnimmt, das andere zunimmt und umgekehrt. In der Gleichgewichtslage werden daher wieder die Gleichungen M = N; c_x · i_x · i₂ — C₂ ·ί₃ · i_i;

-^—Λ — —- gültig sein, mit dem Unter- H · h C₁

schiede, daß sowohl C₁ als auch c₂ sich mit dem Ausschlag verändern. Bei ein und dem-

selben Ausschlag wird jedoch die Verhältniszahl dieser veränderlichen Koeffizienten unveränderlich sein (vorausgesetzt, daß Cp₁ und φ₂ unveränderlich sind, oder ihre gegenseitige ~ 5 Abhängigkeit bekannt ist), so daß die Skala rechnerisch oder empirisch bestimmt werden kann.

Eine weitere Erwägung führt schließlich zu dem Ergebnis, daß das zweite Drehmoment N

ίο auf eine beliebige Art entstehen kann; es können zu diesem Zwecke beliebige Wechselstrominstrumente benutzt werden, vorausgesetzt, daß N im Sinne seiner eigenen Drehrichtung nicht zunimmt, da der Gleichgewichtszustand sich sonst nicht einstellen könnte.

Für die praktische Ausführung dieser Vorrichtungen sind hauptsächlich folgende Spezialfälle von Bedeutung.

i. Die Ströme I₁ und i₂ sind gleich groß, oder aber ihre Größen sind proportional und die Phasenverschiebung φ₁ wird mittels bekannter (künstlicher) Mittel genau gleich 90 ° gemacht. Es soll das gleiche auch für die Ströme i_z und ^₄ gültig sein, d. h.

h = h> Φι = 9°^c>.

H = h'> 92 = 90°.

Die Vorichtung wird in diesem Falle den Wert

d. h. die Verhältniszahl der'Wechselströme i_x und J₃, anzeigen.

2. Der Strom I₁ soll mit dem Strom i_s, der Strom i₂ soll mit dem Strom i_i gleich groß oder proportional sein, wobei die beiden Phasenverschiebungen sich rechtwinklig ergänzen sollen, d. h.

h — h> H — H> Φι + 9a = 9°°·

Dies führt zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen den Strömen I₁ und i₂ bzw. i₃ und i_t, da im Gleichgewichtszustande die Gleichung:

h'H

X₂ - sinjjjj
X₁ · sin Cp₁

in die Form:

ι = —-

X₁, · sin φ 2

X₁ ' COS ψ₂

übergeht, aus welcher

tg Cp₁ = —— und

92

abgeleitet werden können.

Es genügt nun zur Bestimmung der Phasen-Verschiebung φ zwischen dem Strom i und der Spannung e folgende Bedingungen zu erfüllen:

h = H = —,

Φι = φ; Φι + 92 = 9°°'

wodurch die Gleichung des Gleichgewichtszustandes wie folgt erscheint:

aus welcher

e · ι · sin cp
e · i · cos φ

tg φ =

folgt.

Die Erfüllung der Bedingung, daß φ_χ -j- φ₂ — go°, ist mittels bekannter Mittel leicht durchzuführen, wie dies z. B. bei den Wattmetern und Wattzählern geschieht, die nach dem Ferraris'schen Prinzip gebaut werden, bei welchem diese künstliche Abänderung der Phasenverschiebung eine unbedingte Notwendigkeit ist, damit diese Apparate die wirkliche Leistung β · i cos φ und nicht eine wattlose Leistung e · i · sin φ anzeigen.

Es folgt nun hieraus, daß bei der Verwirklichung des Erfindungsgedankens im Spezialfalle, wo die Phasenverschiebung zwischen Strom i und Spannung e zu bestimmen ist, zwei Vorrichtungen Gleichgewicht, halten, von welchen die eine ein Drehmoment ausübt, welches mit e · i · sin φ, die andere dagegen ein Drehmoment erzeugt, welches mit e-i· cos φ proportional ist, wobei die oben bereits ausführlich dargelegten und den Gegenstand dieser Erfindung bildenden Mittel zur selbsttätigen Erzielung eines Gleichgewichtszustannes angewendet werden müssen.

τ, » ¹OO

Claims

Patent-An Sprüche:

1. Vorrichtung zum Anzeigen der Verhältniszahl von elektrischen Wechselströmen, gekennzeichnet durch einen auf einer leicht beweglichen, in einem magnetischen Drehfelde exzentrisch angeordneten Achse (A) exzentrisch befestigten Metallkörper (B), welcher hierdurch ein in seiner Drehrichtung abnehmendes Drehmoment erfährt, dem ein auf dieselbe Achse (A) entgegengesetzt wirkendes, in obiger Drehrichtung nicht zunehmendes Drehmoment (N) Gleichgewicht hält, wobei das Drehfeld bzw. das zweite Drehmoment (N) durch die zu vergleichenden Wechselströme erzeugt werden.

2. Vorrichtung zum Anzeigen der Verhältniszahl von elektrischen Wechselströmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Drehmoment (N)

gleichfalls mittels eines Drehfeldes hervorgerufen wird.

3. Vorrichtung zum Anzeigen der Verhältniszahl von elektrischen Wechselströmen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkörper zur Erzeugung des zweiten Drehmomentes (N) gleichfalls exzentrisch zur Achse und diese exzentrisch zum Drehfelde angeordnet wird, wobei das Maximum des ersten Drehmomentes mit dem Minimum des zweiten zusammenfällt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.