DE2835075A1

DE2835075A1 - Einrichtung zur nachbildung grosser elektrischer lasten in wechselstromsystemen

Info

Publication number: DE2835075A1
Application number: DE19782835075
Authority: DE
Inventors: Kenneth J Cook; Richard L Massa; Robert C Murray
Original assignee: Valeron Corp
Current assignee: Valenite LLC
Priority date: 1977-08-18
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1979-03-01
Also published as: IT1105601B; JPS5443441A; CA1113542A; IT7850765A0; FR2400712A1; US4158808A; GB2003282A; BE869862A; SE7808712L; BR7805318A

Description

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20800 Coolidge Highway telefon oso-osioto

Oak Park, Michigan 48237 teübx 522019 esfat

lO.August 1978

1V1 1278

Einrichtung zur Nachbildung großer elektrischer Lasten
in Wechselstromsystemen

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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Nachbildung großer elektrischer Lasten in Wechselstromsystemen, die mit getrennten Spannungs- und Stromquellen arbeitet, um die Verlustleistung während der Prüfung und Eichung elektrischer Leistungsmesser möglichst gering zu halten.

Hochleistungsmesser werden industriell häufig zur Überwachung verschiedener Betriebsparameter großer elektrischer Einrichtungen wie Motore, Maschinen, Pumpen u.a. eingesetzt. Solche Leistungsmesser müssen periodisch geprüft und geeicht werden, um ihre Genauigkeit nicht nur bei der Herstellung, sondern auch nach der Installation zu gewährleisten. Typische Eichverfahren erfordern eine elektrische Verbindung des Prüflings mit einer Last, die das Meßgerät zum Vollausschlag bringen kann, der in der Größenordnung von einigen 100 000 Watt liegen kann. Die Prüflasten sind oft unzulässig groß und teuer. Beispielsweise haben Industriegebäude eine Dreiphasen-Stromversorgung von 220 Volt und 100 Ampere. Um einen einen 150 kW-Leistungsmesser auf Vollausschlag zu eichen, sind dann über 60 % der Gesamtstromversorgung für das Gebäude erforderlich. Ferner würde diese Leistung bei Verbrauch in einer reellen Belastung innerhalb eines solchen Gebäudes 4,2 Kühltonnen erfordern, um die in Wärme umgesetzte Leistung zu kompensieren.

Ein anderes Eichverfahren, das für größere Leistungsmesser angewendet wird, erfordert die elektrische Verbindung des Prüflings mit einer Stromquelle und einer Last über geeichte Bezugswiderstände, Stromwandler, Spannungswandler u.a. Obwohl die Nachbildung einer großen Last möglich ist, muß eine solche Anordnung doch große Leistungen in der Last verbrauchen. Ferner ist der Phasenwinkel zwi-

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sehen der Lastspannung und dem Strom nicht wahlweise veränderbar. Schließlich kommen die Toleranzen der Meßwiderstände und der Transformatoren kombiniert zur Wirkung, wodurch die Eichgenauigkeit beeinträchtigt wird_o

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin» eine Einrichtung zur Nachbildung hoher elektrischer Lasten anzugeben, die klein und möglichst tragbar ausgeführt ist und keine großen Wärmemengen erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine Einrichtung nach der Erfindung hat eine wahlweise veränderbare Stromquelle und eine davon unabhängig wahlweise veränderbare Spannungsquelle. Das Stromsignal liefert einen Phasenbezug, und das Spannungssignal ist damit über ein wahlweise veränderbares Phasenschiebernetzwerk hinsichtlich seiner Phase verkoppelt» Somit handelt es sich um getrennte Strom- und Spannungsquellen hinsichtlich der Amplitude, und ihre relative Phasenverschiebung zueinander wird getrennt über das Phasenschiebernetzwerk gesteuert. Da jeder elektrische Leistungsmesser nach der Beziehung

P = EI cos θ

arbeitet, kann ©ine Belastung durch das Produkt des Stroms, der Spannung und des Cosinus des Phasenwinkels zwischen diesen beiden Größen (Leistungsfaktor) nachgebildet werden. Von dem Prüfling aus gesehen ist die so nachgebildete Belastung von einer tatsächlichen Belastung dessel-

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ben effektiven Wertes nicht unterscheidbar_o Da die Spannungsund die Stromquelle separat und unabhängig voneinander vorgesehen sindρ muß das effektive Leistungsäquivalent des Produkts der beiden Größen nicht abgeführt v/erden, um den Prüfling zu eichen„

Eine vorzugsweise Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen Meßwiderstand₉ der elektrisch mit der gesteuerten Stromquelle in Reihe geschaltet ist, so daß die an ihm abfallende Spannung proportional dem Stromfluß ist. Diese Spannung \«.rd verstärkt und über eine Schaltung mit automatischer Verstärkungsregelung geführt„ um die unabhängige Arbeitsv/eise zwischen Strom- und Spannungsquelle zu gewährleisten,, Das Ausgangssignal dieser Schaltung \irird einem Phasenschiebernetzwerk üblicher Art zugeführt, verstärkt und auf die Primärwicklung eines Leistungstransformators gegeben. Durch Regelung der Verstärkung kann die an den Spannungseingängen des Prüflings festgestellte Spannung unabhängig von dem an den Stromeingängen festgestellten Strom verändert werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird nur sehr wenig Leistung verbraucht. Außerdem arbeitet sie extrem genau₉ kann sehr gut tragbar ausgeführt werden, ermöglicht die kontinuierliche Einstellung eines Phasenwinkels von 0° bis 360°, ermöglicht eine ge=- naue Nachbildung von Stromkreiszuständen und kann sehr billig hergestellt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Einrichtung nach der Erfindung, die mit einem Leistungsmesser verbunden ist,

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Fig. 2 ein Blockschaltbild der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung,

Fig. 3 die Schaltung eines Vorverstärkers sowie der automatischen Verstärkungsregelung,

Fig. 4 die Schaltung des Phasenschiebernetzwerks, Fig. 5 die Schaltungen eines Phasenverstärkers, eines Treiberverstärkers und eines Leistungsverstärkers und

Fig. 6 die Schaltung eines Stromversorgungsteils.

In Fig. 1 ist eine Einrichtung 10 zur Nachbildung elektrischer Lasten dargestellt. Diese hat ein Koffergehäuse 11 und ist somit tragbar ausgeführt. Die Einrichtung 10 wird zu einem Leistungsmesser gebracht, der geeicht werden soll, Fig. 1 zeigt einen solchen in eine Schalttafel eingebauten Leistungsmesser. Anstelle dieses Prüflings kann jeder andere Leistungsmesser mit separatem Spannungs- und Stromeingang vorgesehen sein. Der Prüfling 12 hat zwei Stromanschlüsse 20 und zwei Spannungsanschlüsse 22, die bei Normalbetrieb mit einem zu überwachenden Stromkreis über Brücken 18 (gestrichelt dargestellt) verbunden sind. Während des Prüfens oder der Eichung werden die Brücken 18 entfernt, so daß der Prüfling 12 von jeder externen Schaltung abgetrennt ist, die während des Eichvorgangs eine fehlerhafte Anzeige verursachen könnte.

Wenn die Einrichtung 10 nahe dem Prüfling 12 angeordnet ist, muß sie lediglich elektrisch mit ihm verbunden werden. Sie hat zwei Stromsignal-Ausgangsanschlüsse 24 und zwei Spannungssignal-Ausgangsanschlüsse 26; Während der Eichung verbinden zwei Stromkabel 14 die Ausgänge 24 und die Stromeingänge 20. Ähnlich verbinden zwei Spannungskabel 16 die Ausgänge 26 und die Spannungseingänge 22.

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Die einzige weitere elektrische Verbindung muß mit dem Anschlußkabel 28 zur Stromversorgung hergestellt werden.

Die Nachbildungseinrichtung 10 hat getrennte Strom- und Spannungsquellen. Die Stromquelle wird wahlweise mit einem Autotransformator 40 verändert, während die Spannungsquelle wahlweise mit einem einstellbaren Verstärkungsregelwiderstand 60 verändert wird. Eine Phasenschieberschaltung, die im folgenden noch beschrieben wird, verbindet die Spannungsquelle mit der Stromquelle. Die Spannungsquelle ist hinsichtlich ihrer Phasenlage mit der Stromquelle über die Phasenschieberschaltung verkoppelt, die mittels eines Phasensteuerwiderstandes 54 wahlweise veränderbar ist. Innerhalb der Nachbildungseinrichtung 10 wird das Stromausgangssignal der Stromquelle elektrisch auf die Ausgangsanschlüsse 24 geleitet. Das Stromausgangssignal zeichnet sich durch eine niedrige Spannung aus. Wenn der Autotransformator verändert wird, ändert das Stromausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen 24 seine Größe. Ähnlich erscheint ein Spannungsausgangssignal an den Ausgangsanschlüssen 26, das sich durch einen niedrigen Strom auszeichnet. Wird der Verstärkungsregelwiderstand 60 verändert, so ändert sich die Größe der Spannung an den Ausgangsanschlussen 26. Analoganzeigen 62, 46 und 50 dienen zur Überwachung des Spannungssignals und des Stromsignals der Nachbildungseinrichtung 10 sowie des Phasenwinkels. Anstelle von Analoganzeigen können auch andere Anzeigevorrichtungen, beispielsweise Digitalmeßgeräte, vorgesehen sein.

Wenn ein Prüfling 12 geeicht werden soll, muß die Bedienungsperson lediglich die gewünschten Strom- und Spannungswerte sowie den entsprechenden Phasenwinkel gemäß der bekannten Leistungsgleichung "auswählen". Somit kann dann die Nachbildungseinrichtung 10 jede Art elektrischer

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Belastung ohne Verbrauch größerer elektrischer Leistung simulieren. Ist die Eichung abgeschlossen, so werden die Verbindungskabel 14 und 16 sowie das Anschlußkabel 28 lediglich abgetrennt und in einem Fach 30 innerhalb des Koffers 11 untergebracht.

Fig. 2 zeigt eine Blockschaltung der Einrichtung 10 sowie ihrer elektrischen Verbindung mit einem Prüfling 12. Der Prüfling 12 hat zwei Stromeingangsanschlüsse 20 und zwei Spannungseingangsanschlüsse 22. Die Stromeingangsanschlüsse 20 sind durch einen Meßwiderstand 36 überbrückt, während die Spannungseingangsanschlüsse 22 durch einen Spannungsteiler 38 überbrückt sind. Der Meßwiderstand 36 und der Spannungsteiler 38 sind in dem Prüfling vorgesehen und nur beispielsweise dargestellt. Jede Art eines Leistungsmessers mit separaten Spannungs- und Stromeingängen kann vorgesehen sein.

Die Nachbildungseinrichtung 10 hat zwei Stromausgangsanschlüsse 24 und zwei Spannungsausgangsanschlüsse 26. Die Verbindungskabel 14 verbinden die Ausgangsanschlüsse 24 mit den Eingangsanschlüssen 20, die Verbindungskabel 16 verbinden die Ausgangsanschlüsse 26 mit den Eingängsanschlüssen 22.

In der Einrichtung 10 wird die Stromquelle durch einen Autotransformator 40 und einen Stromwandler 42 gebildet. Die Versorgungsspannung wird an die Wicklung des Autotransformators 40 über das Anschlußkabel 28 angeschlossen. Der Autotransformator kann beispielsweise eine variable Ausgangsspannung zwischen 0 und 110 Volt liefern. Gleichartige andere Transformatoren können hier verwendet werden. Der feste Ausgangsanschluß des Autotransformators 40 ist mit Erdpotential sowie mit einem

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Anschluß der Primärwicklung des Stromwandlers 42 verbunden. Der Abgriff des Autotransformators 40 ist mit dem anderen Anschluß der Primärwicklung des Stromwandlers 42 verbunden. Der Stromwandler 42 hat beispielsweise ein Übersetzungsverhältnis 1 : 40. Auch hier kann jeder andere geeignete Wandler eingesetzt werden. Die Sekundärwicklung des Stromwandlers 42 ist mit den Stromausgangsanschlüssen 24 verbunden. Ein Meßwiderstand 44 ist mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers 42 zu einem noch zu beschreibenden Zweck in Reihe geschaltet. Der Stromausgangsanschluß 24, der dem Meßwiderstand 44 zugeordnet ist, ist mit Masse 57 verbunden.Wird der Autotransformator 40 verstellt, so kann damit der Strom in der Sekundärwicklung des Stromwandlers 42 und an den Stromeingangsanschlüssen 20 des Prüflings wahlweise bei relativ niedriger Spannung verändert werden.

Der Meßwiderstand 44 ist ein Präzisionswiderstand für hohen Stromfluß. Durch ihn fließt der Strom zu den Stromeingängen des Prüflings 12. Er hat einen etwas größeren Widerstandswert als Meßwiderstände üblicher Art, ist jedoch in Standardtechnik ausgeführt. Jeder geeignete Meßwiderstand kann hier verwendet werden. Der Spannungsabfall an dem Meßwiderstand 44 ist proportional seinem Stromfluß. Diese Spannung wird einem Spannungsverstärker 48 zugeführt, der eine automatische Verstärkungsregelung aufweist. Das Ausgangssignal des Spannungsverstärkers 48 wird dem Phasenbezugseingang eines Phasenmessers 50 zugeführt. Das Ausgangssignal des Spannungsverstärkers 48 wird ferner einer Phasenschieberschaltung 52 zugeführt, deren Phasensignal am Ausgang wahlweise gegenüber dem Signal am Eingang verändert werden kann. Der Phasenwinkelunterschied zwischen Eingang und Ausgang

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der Phasenschieberschaltung 52 ist bestimmt durch einen veränderbaren Phasensteuerwiderstand 54. Das Ausgangssignal der Phasenschieberschaltung 52 wird dem invertierenden Eingang eines Leistungsverstärkers 56 zugeführt. Der nicht invertierende Eingang dieses Verstärkers 56 ist mit Masse 57 verbunden. Das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers 56 wird der Primärwicklung eines Transformators 58 zugeführt. Der andere Anschluß dieser Primärwicklung liegt an Masse 57. Die Verstärkung des Verstärkers 56 wird durch einen wahlweise einstellbaren Gegenkopplungswiderstand 60 geregelt. Somit können die Stromquelle, die Phasenschieberschaltung 52 und die Spannungsquelle unabhängig voneinander eingestellt werden.

Die Sekundärwicklung des Transformators 58 ist mit den beiden Spannungssignalausgangsanschlüssen 26 verbunden. Wird der Gegenkopplungswiderstand 60 verändert, so.ändert die Spannung an den Spannungssignalausgangsanschlüssen 26 ihren Wert. Von dem Prüfling 12 aus gesehen liegt also an den Stromeingangsanschlüssen 20 eine praktisch ideale Stromquelle und an den Spannungseingangsanschlüssen 22 eine davon phasenunabhängige, praktisch ideale Spannungsquelle. Der Prüfling 12 mißt das effektive Produkt des über seinen Stromeingang 20 fließenden Stroms, der an seinem Spannungseingang 22 anstehenden Spannung und des Phasenwinkels zwischen diesen beiden Größen. Die voneinander unabhängige Einstellmöglichkeit der Stromquelle und der Spannungsquelle hat keine Auswirkung auf den Meßvorgang. Somit kann jede Hochleistungslast (reell, kapazitiv, induktiv oder kombiniert) mit einer Einrichtung nach der Erfindung nachgebildet werden, indem der Strom für den Stromeingang des Prüflings oder die Spannung für den Spannungs-

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eingang des Prüflings und der Phasenwinkel zwischen beiden unabhängig voneinander eingestellt wird. Dies entspricht der grundlegenden Gleichung für die Leistung in Wechselstromsystemen.

Das Spannungsausgangssignal wird mit einem Effektivwertmesser 62 an den Spannungsausgangsanschlüssen 26 überwacht. Das Stromausgangssignal kann mit einem Effektivwertmesser 46' in Reihe mit der Sekundärwicklung des Stromwandlers 42 überwacht werden. Eine andere Möglichkeit zur Überwachung des Stromausgangssignals besteht darin, einen Effektivwertmesser 46 als Spannungsmesser an den Meßwiderstand 44 anzuschließen und dort den Spannungsabfall zu messen. Dieses Verfahren wird im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit und bessere Genauigkeit vorzugsweise angewendet. Ein Spannungsteiler 64 ist an die Sekundärwicklung des Transformators 58 angeschlossen. An seinem Abgriff wird das Phasensignal dem Phasenspannungs-Bezugseingang des Phasenmessers 50 zugeführt. Der Spannungsteiler 54 dient lediglich zur Umsetzung hoher Spannungswerte auf den Betriebsbereich des Phasenmessers 50. Wie bereits beschrieben, kann bei einem PrüfVorgang jede gewünschte Belastung durch Einstellung des Autotransformators 40, des Gegenkopplungswiderstandes 60 am Leistungsverstärker 56 und des Phaseneinstellwiderstandes 54 der Phasenschieberschaltung 52 nachgebildet werden.

Fig. 3 zeigt die Schaltung des Spannungsverstärkers 48. Dieser enthält einen Vorverstärker 66 und eine Schaltung 68 zur automatischen Verstärkungsregelung. Der Vorverstärker 66 enthält ein Viertel 70 eines Vierfach-Operationsverstärkers des Typs LM324N. Das Spannungssignal am Bezugsspannungseingang wird dem nicht invertierenden

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Eingang des Verstärkers 70 über einen Strombegrenzungswiderstand 72 mit einem Wert von 1 kOhm zugeführt. Der invertierende Eingang des Verstärkers 70 ist mit"Masse 57 über einen weiteren Strombegrenzungswiderstand 74 von 1 kOhm verbunden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 70 wird seinem invertierenden Eingang über einen Gegenkopplungswiderstand 76 von 75 kOhm zugeführt. Das Verhältnis der Widerstände 76 und 74 zueinander bestimmt die Verstärkung des Vorverstärkers 66. Der Verstärker erhält seine Betriebsspannung von einem noch zu beschreibenden geregelten Stromversorgungsteil.

Die Schaltung 68 zur automatischen Verstärkungsregelung ist in üblicher Weise so ausgebildet, daß sie ihr Ausgangssignal auf einem voreingestellten Grenzwert konstant hält, auch wenn die gesteuerte Stromquelle verändert wird. Dadurch wird verhindert, daß die Hochspannungsquelle durch Veränderungen der Stromquelle beeinflußt wird. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 70 wird dem nicht invertierenden Eingang eines zweiten Teils 78 des genannten Vierfachverstärkers über die Reihenschaltung eines Kondensators 80 von 0,1 mF und eines Strombegrenzungswiderstandes 82 von 340 kOhm zugeführt. Der Kondensator 80 beseitigt einen Gleichstrom-Offset. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 78 ist mit Masse 57 über einen Strombegrenzungswiderstand 84 von 1 kOhm verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 78 ist mit seinem invertierenden Eingang über einen Gegenkopplungswiderstand 86 von 68 kOhm verbunden, der zu- * sammen mit dem Widerstand 84 die Verstärkung des Operationsverstärkers 78 bestimmt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 78 ist ferner mit Masse 57 über die Reihenschaltung eines Kondensators 88 von 0,47 mF und eines Widerstandes 90 von 10 kOhm verbunden. Der Konden-

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sator 88 und der Widerstand 90 bilden ein RC-Filter, ihr Verbindungspunkt ist mit der Basis eines Transistors

92 beispielsweise des Typs 2N4403 (Motorola) verbunden. Der Emitter des Transistors 92 ist mit Masse 57 verbunden. Der Kollektor des Transistors 92 ist mit der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors 91 beispielsweise des Typs 2N5638 (Motorola) verbunden. Der Kollektor des Transistors 92 ist ferner mit der geregelten Stromversorgung über die Paralellschaltung eines Widerstandes

93 von 1M0hm und eines Kondensators 94 von 10 mF verbunden. Diese Schaltung verhindert eine Gegenkopplung. Die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 91 ist mit Masse 57 verbunden, die Source-Elektrode ist mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 78 verbunden.

Wenn beispielsweise die Stromquelle auf einen höheren Strom eingestellt wird, so zeigt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 70 eine ansteigende Tendenz. Gleiches gilt für das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 78. Das RC-Filter erzeugt an der Basis des Transistors 92 praktisch ein Gleichstromsignal. Bei zunehmendem Ausgangssignal des Operationsverstärkers 78 steigt auch die Basisspannung am Transistor 92 an. Dadurch wird der Transistor 92 gesperrt und die Gate-Spannung des Feldeffekttransistors 91 erhöht, denn die effektive Kollektor-Emitterspannung am Transistor 92 steigt an. Bei zunehmender Gate-Spannung des Feldeffekttransistors 91 nimmt der Source-Drain-Widerstand ab, so daß dem Ausgang des Vorverstärkers 66 mehr Strom entzogen wird. Entsprechend wird das Signal am nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 78 verringert, damit auch sein Ausgangssignal. Dieser stabilisierende Effekt ergibt eine Strombezugs-Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 78, die praktisch konstant ist.

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In Fig. 4 ist ein dreistufiges Phasenschiebernetzwerk 52 dargestellt. Jede Stufe ermöglicht theoretisch eine Phasenverschiebung von bis zu 180°, so daß insgesamt eine Phasenverschiebung von 540° gegenüber der Eingangsspannung möglich ist, die durch die den Strombezug bildende Ausgangsspannung der automatischen Verstärkungsregelung 68 gebildet wird. Die dritte Stufe kompensiert jegliche unzureichende Phasenverschiebung der ersten beiden Stufen auf volle 180° und gewährleistet eine Phasenverschiebung von insgesamt 360°. Es können auch weniger Stufen vorgesehen sein, was von dem jeweiligen Anwendungszweck abhängt. Die Arbeitsweise derartiger Phasenschiebernetzwerke ist bekannt und muß deshalb nicht eigens erläutert werden. Das den Strombezug bildende Eingangssignal wird der Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistors 97 beispielsweise des Typs MPF102 (Motorola) zugeführt. Ein Spannungsteiler aus einem Widerstand 96 von 6,8 MOhm und einem Widerstand 98 von 1 MOhm zwischen der +12 Volt-Stromversorgung und Masse erzeugt eine Gate-Bezugsspannung für den Feldeffekttransistor 97. Die Source-Elektrode des Feldeffekttransistors 97 ist gleichfalls mit der +12 Volt-Betriebsspannung über einen Widerstand 100 von 2,2 kOhm verbunden. Die Drain-Elektrode ist mit Masse 57 über einen 2,2 kOhm-Widerstand 102 verbunden. Ferner ist sie mit der Gate-Elektrode des nächstfolgenden Feldeffekttransistors 97 über die festen Anschlüsse eines einstellbaren Phasensteuerwiderstandes 54 von 1 MOhm verbunden. Der variable Abgriff des Widerstandes 54 ist gleichfalls mit der Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 97 verbunden. Der Widerstand 54 ist dreiteilig ausgeführt, und jeder Teil ist in einer der Stufen des Phasenschiebernetzwerks 52 angeordnet. Die Source-Elektrode des

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Feldeffekttransistors 97 ist ferner mit der Gate-Elektrode des nächstfolgenden Feldeffekttransistors 97 über einen Kondensator 102 von 0,01 mF verbunden. Das Verhältnis zwischen Widerstand 54 und Kondensator 102 bestimmt den Grad der möglichen Phasenverschiebung pro Stufe. Dieser kann bis zu 180° betragen, was von der Einstellung des Abgriffs am variablen Widerstand 54 abhängt. Die Source- und die Drain-Elektroden der folgenden Feldeffekttransistoren 97 sind mit der +12 Volt-Betriebsspannung bzw. mit Masse 57 über Widerstände 106 von 4,7 kOhm verbunden. Die Source-Elektrode des letzten Feldeffekttransistors 97 ist direkt mit der +12 Volt-Betriebsspannung verbunden. Die Drain-Elektrode des letzten Feldeffekttransistors 97 bildet somit den Ausgang zur nächstfolgenden Schaltungsstufe über zwei Kondensatoren 108 von 10 mF, die in einer nicht polarisierten Reihenschaltung angeordnet sind. Die Phasenbezugs -Aus gangs spannung des Phasenschiebernetzwerks 52 ist somit praktisch identisch mit der Strombezugs-Eingangsspannung mit dem Unterschied der Phasenverschiebung von 0 bis 540° abhängig von der Einstellung der variablen Widerstände 54.

In Fig. 5 ist die Schaltung der gesteuerten Spannungsquelle dargestellt. Diese enthält einen Verstärker 56, einen variablen Widerstand 60 und einen Transformator 58. Die Phasenbezugsspannung des Phasenschiebernetzwerks 52 ist auf den invertierenden Eingang des dritten Teils 110 des Vierfach-Operationsverstärkers über einen Strombegrenzungswiderstand 112 von 10 kOhm geführt. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 110 ist mit Masse 57 über einen Kompensationswiderstand 114 von 10 kOhm verbunden«, Der Ausgang

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des Operationsverstärkers 110 ist mit seinem invertierenden Eingang über einen variablen Widerstand 60 von 500 kOhm verbunden. Der Abgriff des Widerstandes 60 ist mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 110 verbunden. Das Verhältnis des Widerstandes 112 zum Gegenkopplungswiderstand 60 bestimmt die Verstärkung des Operationsverstärkers 110. Der Ausgang des Operationsverstärkers 110 ist ferner mit dem positiven Eingang eines vierten Teils 118 des Vierfach-Operationsverstärkers über einen Strombegrenzungswiderstand 120 von 1 kOhm verbunden. Der Operationsverstärker 110 und die ihm zugeordneten passiven Elemente bilden einen Phasenverstärker bekannter Art. Der Operationsverstärker 118 und die ihm zugeordneten passiven Elemente bilden einen Treiberverstärker für den nachfolgenden Leistungsverstärker. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 118 ist mit Masse 57 über einen Strombegrenzungswiderstand 122 von 1 kOhm verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 118 ist mit den Basisanschlüssen zweier Transistoren 121 und 123 beispielsweise der Typen MJE182 und MJE172 (Motorola) verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 121 und 123 sind mit ungeregelten +15 Volt- und - 15 Volt-Stromversorgungen über Bezugswiderstände 124 und 126 von 150 0hm verbunden. Die Emitter der Transistoren 121 und 123 sind mit dem invertierenden Eingang des Verstärkers 118 über einen Widerstand 128 von 9,1 kOhm verbunden. Der Kollektor des Transistors 121 ist mit der Basis eines.Leistungstransistors 130, der Kollektor des Transistors 123 mit der Basis eines Leistungstransistors 132 verbunden. Die Transistoren 130 und 132 sind beispielsweise vom Typ 2N2955 (Motorola). Die Emitter der Transistoren 130 und 132 sind mit den genannten +15 Volt- und - 15 Volt-Strom-

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Versorgungen verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 130 und 132 sind mit den Emittern der Transistoren 121 und 123 verbunden. Der Ausgang des Verstärkers 118 ist mit den Basisanschlüssen der Transistoren 121 und 123 über einen Widerstand 134 von 680 Ohm verbunden. Das Aüsgangssignal des Verstärkers 118 ist praktisch sinusförmig, seine Phasenlage ist gegenüber derjenigen des Strombezugs-Spannungssignals durch die Phasenschieberschaltung 52 verschoben. Während positiver Halbwellen ist der Transistor 121 leitend und der Transistor 123 gesperrt. Wenn der Transistor 121 leitend wird, steigt sein Kollektorstrom an und steuert den Transistor 130 leitend. Wenn der Transistor 130 leitend ist, speist die ungeregelte +15 Volt-Stromversorgung die Primärwicklung eines Leistungstransformators 58. Während der negativen Halbwellen ist der Transistor 123 leitend und der Transistor 121 gesperrt. Somit ist der Transistor 132 dann leitend, und die ungeregelte - 15 Volt-Stromversorgung speist die Primärwicklung des Transformators 58. Der Transformator 58 hat ein Übersetzungsverhältnis 1 : 91. Ein Anschluß der Primär- und der Sekundärwicklung des Transformators 58 sind gemeinsam mit Masse 57 verbunden, der andere Anschluß der Sekundärwicklung ist mit der in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Hochspannungsschaltung verbunden.

In Fig. 6 ist der Stromversorgungsteil der Einrichtung 10 dargestellt. Die Primärwicklung eines Leistungstransformators 138 ist mit der Netzwechselspannung von beispielsweise 110 Volt verbunden. Der Transformator 138 liefert eine Wechselspannung von 24 Volt an seiner Sekundärwicklung, die mit einem Mittelabgriff versehen ist. Dieser ist mit Masse 57 verbunden. Die Anschlüsse

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der Sekundärwicklung des Transformators 138 sind mit einem Brückengleichrichter 140 verbunden, dessen Ausgangsanschlüsse ein ungeregeltes positives und negatives 15 Volt-Gleichstromsignal abgeben. Diese beiden Anschlüsse des Brückengleichrichters 140 sind mit Masse 57 jeweils über einen Filterkondensator 142 von 20 000 mF verbunden. Der positive Ausgang des Brückengleichrichters 140 ist ferner mit dem Anschluß I eines Spannungsreglers 144 beispielsweise des Typs UA78L12AC (Fairchild) verbunden. Der negative Ausgang des Brückengleichrichters 140 ist mit dem Anschluß II eines zweiten Spannungsreglers 146 beispielsweise des Typs UA79L12AC (Fairchild) verbunden. Die Funktion der Spannungsregler ist an sich bekannt und muß nicht besonders erläutert werden. Die Anschlüsse I und III der Spannungsregler 144 und 146 sind mit Masse 57 über jeweils einen Kompensationskondensator 148 und 150 verbunden. Die Anschlüsse III und I der Spannungsregler 144 und 146 sind direkt mit Masse 57 verbunden. Der Anschluß II des Spannungsreglers 144 ist mit dem Ausgangsanschluß 148 verbunden. Der Anschluß II des Spannungsreglers 146 ist mit dem Ausgangsanschluß 150 verbunden. Der Ausgangsanschluß 148 führt ca. + 12 Volt Gleichspannung, der Ausgangsanschluß 150 führt ca. - 12 Volt Gleichspannung. Die Anschlüsse II der beiden Spannungsregler 144 und 146 sind ferner mit Masse 57 über jeweils einen Filterkondensator 152 von 0,1 mF verbunden.

Beispiel

Zur Eichung eines 75 kW Leistungsmessers bei einem Phasenwinkel von 30° und einer Netzwechselspannung von 440 Volt währe die Abführung von ca. 74,6 kW über eine Last erforderlich.

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P = EI cos
74,6 kW β 440 Volt · I Ampere · 0,866

Mit einer solchen Anordnung würde sich ein Stromfluß von 196 Ampere durch die Last ergeben. Zur Nachbildung dieser Last, d,h. zum Betrieb eines 75 kW Leistungsmessers mit Vollausschlag, erzeugt die Einrichtung nach der Erfindung 440 Volt Wechselspannung bei 0,04 Ampere an den Spannungssignal-Ausgangsanschlüssen und 196 Ampere bei 1,5 Volt Wechselspannung an den Stromsignal-Ausgangsanschlüssen. Die durch diese beiden Stromkreise tatsächlich verbrauchte Leistung beträgt ca. 17,6 Watt bzw. 294 Watt oder insgesamt 311,6 Watt.

Zur Eichung eines 75 kW Leistungsmessers bei Vollausschlag sind somit bei einer reellen Belastung 74,6 kW erforderlich, jedoch nur 311,6 Watt bei Anwendung einer Einrichtung nach der Erfindung.

Alle vorstehend beschriebenen Merkmale können einzeln oder in beliebiger Zusammenfassung erfindungswesentlich sein.

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Claims

35075

Patentansprüche

J Einrichtung zur Nachbildung großer elektrischer Lasten in Wechselstromsystemen zum Anschluß an zu prüfende Leistungsmesser mit getrennten Strom- und Spannungseingängen, gekennzeichnet durch eine steuerbare Stromquelle (24) zur Abgabe eines wahlweise einstellbaren Wechselstromsignals mit festem Phasenwinkel an den Leistungsmesser, das einen Phasenschieber (52) zur Erzeugung eines Referenzsignals mit einem wahlweise einstellbaren Phasenwinkel steuert, und durch eine mit dem Referenzsignal angesteuerte steuerbare Spannungsquelle (26) zur Abgabe eines wahlweise einstellbaren Wechselspannungssignals an den Leistungsmesser.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenmesser (50) zur Anzeige des Phasenwinkels bzw. des Leistungsfaktors vorgesehen ist, der mit dem Wechselstromsignal und dem Wechselspannungssignal angesteuert ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Wechselspannungssignal angesteuerter Spannungsamplitudenanzeiger (62), vorzugsweise ein Effektivwertanzeiger, vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Wechselstromsignal angesteuerter Stromamplitudenanzeiger (46·)» vorzugsweise ein Effektivwertanzeiger, vorgesehen ist.

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ORIGINAL INSPECTED
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Voltmeter (46) als Effektivwertanzeiger vorgesehen ist.
6ο Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (68) mit automatischer Verstärkungsregelung zwischen der Stromquelle (24) und dem Phasenschieber (52) vorgesehen ist.
7ο Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Autotransformator (40) und einen diesem nachgeordneten Stromwandler (42) als Stromquelle (24) und durch einen mit dem Referenzsignal angesteuerten Leistungsverstärker (56) zur Abgabe des Wechselspannungssignals.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Leistungsverstärker (56) ein Transformator (58) nachgeschaltet ist.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vorverstärker (66) zwischen der Stromquelle (24) und der Schaltung (68) mit automatischer Verstärkungsregelung vorgesehen ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Phasenschieber (52) und dem Leistungsverstärker (56) ein Referenzsignalverstärker (110) vorgesehen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Referenzsignalverstärker (110) und dem Leistungsverstärker (56) ein Treiberverstärker (118) vorgesehen ist.

909809/0839