DE2849170B1 - Schaltungsanordnung zur Messung des Leistungsfaktors cos upsilon - Google Patents

Description

• Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaitungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Begrenzungsspannungen der Spannungsbegrenzerschaltungen voneinander verschieden sind, daß die mit einem Anschluß der jeweiligen Spannungsbegrenzerschaltung direkt verbundenen Klemmen der Sekundärwicklun- gen der beiden Übertrager an einem gemeinsamen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind und daß die Summe der Spannungen längs der auf diese Weise in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzerschaltungen über einen Einweggleichrichter einer Anzeigeeinrichtung, z. B. einem Meßinstrument zugeführt ist.
• Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schaltungsanordnung wird die Ausgangsspannung längs der in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzerschaltungen abgenommen und ist nach der Weiterleitung über den Einweggleichrichter eine pulsierende Gleichspannung, deren Impulsbreite ein Maß für den Leistungsfaktor darstellt, so daß diese impulsförmige Gleichspannung unmittelbar einem einfach aufgebauten Meßinstrument oder anderen Auswerteschaltungen zugeführt werden kann. Durch die Verwendung von unterschiedlichen Begrenzungsspannungen der Spannungsbegrenzerschaltungen ist absolut sichergestellt, daß eine Verschiebung der Nullinie oder Bezugsspannung bei Kennlinienänderungen der Spannungsbegrenzerelemente nicht auftreten kann, so daß Meßfehler vermieden werden.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die mit der Sekundärwicklung des Stromübertragers verbundene Spannungsbegrenzerschaltung durch zwei antiparallel geschaltete Dioden gebildet ist und daß die mit der Sekundärwicklung des Spannungsübertragers verbundene Spannungsbegrenzerschaltung durch eine Zenerdiode gebildet ist. Wenn hierbei die Kathode der Zenerdiode mit dem Vorwiderstand verbunden ist, während ihre Anode mit dem einen Anschluß der Spannungsbegrenzerschaltung in dem Strompfad verbunden ist und der Einweggleichrichter mit dem Verbindungspunktzwischen der Kathode der Zenerdiode und dem zugehörigen Vorwiderstand verbunden und so gepolt ist, daß nur die negativen Spannungsanteile an diesem Verbindungspunkt zum Meßinstrument weitergeleitet werden, ergibt sich der Vorteil, daß die ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisenden Impulsteile der Spannungen längs der beiden Spannungsbegrenzerschaltungen bei ihrer Summierung immer eine positive Spannung ergeben, die nicht von dem Einweggleichrichter weitergeleitet wird. Auf diese Weise führen kleine Unterschiede in den Durchlaßspannungen der Dioden in den Spannungsbegrenzerschaltungen nicht zu einer Fehlanzeige und auch Störimpulse werden sicher unterdrückt.
• Die antiparallel geschalteten Dioden sind vorzugsweise Siliziumdioden, da sich auf diese Weise ein relativ hoher Spannungsabfall ergibt. Im Gegensatz hierzu sollte der Einweggleichrichter vorzugsweise einen niedrigen Spannungsabfall aufweisen und er kann beispielsweise durch eine Germaniumdiode gebildet sein.
• In die Reihenschaltung aus dem Einweggleichrichter und dem Meßinstrument ist vorzugsweise ein einstellbarer Widerstand eingeschaltet, der zur Skaleneichung dient.
• Die Eichung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung zur Messung des Leistungsfaktors, Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.
• Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist einen Stromtransformator Ti sowie einen Spannungsübertrager Tu auf, die in den Strom- bzw. Spannungspfad eines Wechselstromnetzes eingeschaltet sind, dessen Leistungsfaktor cos # gemessen werden soll.
• Die Übertrager weisen jeweils eine Primärwicklung Pi bzw. Pu sowie eine Sekundärwicklung Sj bzw. Su auf.
• Die Klemmen der Sekundärwicklungen sind jeweils über einen Vorwiderstand mit einer Spannungsbegrenzerschaltung verbunden. Die Klemmen der Sekundärwicklung S1 des Stromübertragers Ti sind über den Vorwiderstand R2 mit einer durch zwei antiparallel geschaltete Dioden D1, D2 gebildeten Spannungsbegrenzerschaltung verbunden, während die Klemmen der Sekundärwicklung Su des Spannungsübertragers Tu über einen Vorwiderstand R1 mit den Anschlüssen einer Zenerdiode verbunden sind, die die Spannungsbegrenzerschaltung des Spannungspfades bildet. An der Zenerdiode fällt die in Fig. 3a dargestellte Rechteckspannung ab, die durch positive Impulse mit einer der Zenerspannung der Diode D3 entsprechenden Spannung und durch negative Impulse mit einer der Durchlaßspannung dieser Zenerdiode entsprechenden Spannung gebildet ist. An der Spannungsbegrenzerschaltung des Strompfades fällt die in Fig. 2b dargestellte Rechteckspannung ab, die durch positive und negative Impulse mit einer Amplitude gebildet ist, die der Durchlaßspannung der Dioden D1 bzw. D2 entspricht. Die mit einem Anschluß der Spannungsbegrenzerschaltungen verbundenen Klemmen der Sekundärwicklungen Sj und Su des Strom-bzw. Spannungsübertragers sind miteinander verbunden, wobei die Anode der Zenerdiode D3 mit diesem gemeinsamen Verbindungspunkt verbunden ist. Die Spannungen längs dieser in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzerschaltungen summieren sich, so daß sich die in Fig. 2c dargestellte Summenspannung ergibt. Die Kathode der Zenerdiode D3 ist mit einem Anschluß des Vorwiderstandes $R1 und weiterhin mit der Kathode der den Einweggleichrichter bildenden Diode D4 verbunden, die vorzugsweise eine Germaniumdiode oder eine andere Diode mit niedrigem Durchlaßspannungsabfall ist. Diese Diode D4 leitet lediglich die negativen Anteile der Summenspannung c gemäß Fig. 2c weiter und aus diesem Grunde sind in Fig. 2c die positiven Anteile der Summenspannung gestrichelt dargestellt. Die Anode der Diode D4 ist mit einem Anschluß eines Meßinstrumentes M verbunden, deren anderer Anschluß über einen Einstellwiderstand R3 mit dem Verbindungspunkt zwischen der Spannungsbegrenzerschaltung in dem Strompfad und dem zugehörigen Vorwiderstand R2 verbunden ist. Dieser Einstellwiderstand R3 ermöglicht eine Eichung der Skala des Meßinstrumentes M. Die vorstehend beschriebene Polung der einzelnen Dioden D1 bis D4 ergibt den Vorteil, daß die positiven Amplituden der Rechteckspannung a längs der Zenerdiode D3 die für die Messung nicht verwendeten negativen Impulsteile der Spannung b längs der Spannungsbegrenzerschaltung in dem Strompfad sicher übersteigen, so daß keine Gefahr besteht, daß unterschiedliche Änderungen der Durchlaßspannungsabfälle in den beiden Spannungsbegenzerschaltungen zu einer wenn auch kleinen negativen Differenzspannung führen, die von dem Einweggleichrichter D4 weitergeleitet wird. Weiterhin kommen Spannungsspitzen oder andere Störimpulse nicht zur Wirkung.
• In den Fig. 2a bis 2c ist der Fall dargestellt, der sich ergibt, wenn der Leistungsfaktor cos # gleich 1 ist. Bei einem induktiven Leistungsfaktor ergibt sich eine Verschiebung der Rechteckspannung längs des Spannungsbegrenzers in dem Strompfad um den Winkel - gegenüber der Darstellung nach Fig. 2b, wie dies in Fig. 2d dargestellt ist. Es ergibt sich dann die in Fig. 2e dargestellte Summenspannung c, deren negative Anteile sich über einen größeren Winkelbereich erstrecken, während die positiven Anteile wiederum von der Diode D4 unterdrückt werden. Damit wird das Meßinstrument M von einem größeren Strom durchflossen.
• Im Fall eines kapazitiven Leistungsfaktors ergibt sich eine Verschiebung der Rechteckspannung längs der Spannungsbegrenzerschaltung im Strompfad um den Winkel + #, wie dies in Fig. 2f dargestellt ist, so daß die negativen Anteile der in Fig. 2g dargestellten Summenspannung sich über einen kleineren Winkelbereich erstrecken und dem Meßinstrument ein kleinerer Strom zugeführt wird.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Schaltungsanordnung zur Messung des Leistungsfaktors cos # in Wechselstrom netzen mit in den Strompfad und den Spannungspfad des Wechselstromnetzes eingeschalteten Primärwicklungen von Strom- bzw. Spannungsübertragern, mit an die Klemmen der Sekundärwicklungen des Stromübertragers bzw. des Spannungsübertragers angeschalteten jeweiligen Reihenschaltungen aus einem Vorwiderstand und einer Spannungsbegrenzungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsspannungen der Spannungsbegrenzerschaltungen voneinander verschieden sind, daß die mit einem Anschluß der jeweiligen Spannungsbegrenzerschaltung direkt verbundenen Klemmen der Sekundärwicklungen (Si, @u) der beiden Übertrager (ti, tu) an einem gemeinsamen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind und daß die Summe der Spannungen längs der auf diese Weise in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzerschaltungen (D1, D2; D3) über einen Einweggleichrichter (D4) einer Anzeigeeinrichtung, z. B. einem Meßinstrument (M) zugeführt ist.
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Sekundärwicklung (S@) des Stromübertragers (Ti) verbundene Spannungsbegrenzerschaltung durch zwei antiparallel geschaltete Dioden (D1, D2) gebildet ist und daß die mit der Sekundärwicklung (Su) des Spannungsübertragers verbundene Spannungsbrenzerschaltung durch eine Zenerdiode (D3) gebildet ist.
3. 3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die antiparallel geschalteten Dioden (D1, D2) Siliziumdioden sind.
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einweggleichrichter durch eine einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall aufweisende Diode (D4), vorzugsweise eine Germaniumdiode gebildet ist.
5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht miteinander verbundenen Anschlüsse der Spannungsbegrenzerschaltungen (D1, D2; D3) über die den Einweggleichrichter bildende Diode (D4) und einen zur Skaleneichung dienenden Einstellwiderstand mit einem Meßinstrument (M) zur Anzeige des Leistungsfaktors verbunden sind.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung des Leistungsfaktors cos # in Wechselstromnetzen mit in den Strompfad und den Spannungspfad des Wechselstromnetzes eingeschalteten Primärwicklungen von Strom- bzw. Spannungsübertragern, mit an die Klemmen der Sekundärwicklungen des Stromübertragers bzw. des Spannungsübertragers angeschalteten jeweiligen Reihenschaltungen aus einem Vorwiderstand und einer Spannungsbegrenzerschaltung.

   Der Leistungsfaktor, der das Verhältnis von elektrischer Wirkleistung zur Scheinleistung darstellen, wird von den meisten Fällen durch Messung des Phasenverschiebungwinkels # der Spannung gegenüber dem Strom ermittelt. Zur Messung des Leistungsfaktors cos # wurden bisher Kreuzspulmeßwerke verwendet, deren Teilspulen gegebenenfalls über Meßwandler vom Strom- bzw. Spannungspfad des Wechselstromnetzes gespeist wurden, in dem dieser Leistungsfaktor gemessen werden soll. Kreuzspulinstrumente erfordern insbesondere bei höheren Genauigkeitsanforderungen einen hohen mechanischen und elektrischen Aufwand.

   Es ist weiterhin eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art bekannt (IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS 87, Nr. 10, Oktober 1968, Seiten 1819 bis 1821), bei dem an die Sekundärwicklungen des Strom- bzw. Spannungsübertragers über Vorwiderstände Zenerdioden als Spannungsbegrenzer angeschaltet sind. Die längs dieser Zenerdioden auftretende Durchbruchspannung wird zur Steuerung der Basis-Emitterstrecke von jeweiligen dem Strom- bzw. Spannungspfad zugeordneten Schalttransistoren zugeführt, deren Kollektoren mit einem Pol einer Hilfsspannungsquelle verbunden sind, während die Emitter dieser Transistoren über Arbeitswiderstände mit dem anderen Pol der Hilfsspannungsquelle verbunden sind. Die längs der Emitter-Arbeitswiderstände auftretende Spannung stellt das Ausgangsignal dieser Schaltungsanordnung dar und ist durch eine Folge von positiven und negativen Spannungsimpulsen gebildet, deren Breite im Verhältnis zur Impulspause ein Maß für den Phasenverschiebungswinkel darstellt. Die Auswertung der jeweiligen Impulsbreiten und Impulspausen muß mit Hilfe eines Oszillographen oder eines anderen Schwingungsschreibers erfolgen, se daß keine einfache Anzeigeschaltung verwendet werden kann.

   Weiterhin ist eine Hilfsspannung erforderlich, was in vielen Fällen unerwünscht ist, da diese Hilfsspannung gegebenenfalls potentialfrei sein muß.

   Weiterhin ist eine Schaltungsanordnung bekannt (Proc. IEE, Nr. 2, Februar 197(), Seite 446), bei der an die Sekundärwicklungen des Strom- bzw. Spannungsübertragers ebenfalls Spannungsbegrenzerschaltungen angeschaltet sind, wobei diese Spannungsbegrenzerschaltungen zu einer Brückenschaltung miteinander verbunden sind und die Ausgangsspannung über einen Operationsverstärker ausgewertet wird. Auch bei dieser Schaltungsanordnung ist eine Hilfsspannung zum Betrieb des Operationsverstärkers erforderlich und die Schaltungsanordnung weist einen komplizierten Aufbau auf.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Anzeige des Leistungsfaktors auf einem einfachen Meßinstrument ermöglicht und die von Kennlinienänderungen der verwendeten Spannungsbegrenzerelemente weitgehend unabhängig ist.