DE2849170C

DE2849170C - Schaltungsanordnung zur Messung des

Info

Publication number: DE2849170C
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ing Hofmann (grad), 8000 München
Original assignee: Leistungsfaktors cos φ Beluk GmbH, 8000 München
Publication date: 1980-10-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Messung des Leistungsfaktors cos φ 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 Span

nungsbegrenzerschaltung.

Der Leistungsfaktor, der das Verhältnis von elektrischer Wirkleistung zur Scheinleistung darstellen, wird von den meisten Fällen durch Messung des Phasenverschiebungwinkels φ der Spannung gegenüber dem Strom ermittelt. Zur Messung des Leistungsfaktors cos φ wurden bisher Kreuzspulmeßwerke verwendet, deren Teilspulen gegebenenfalls über Meßwandler vom Strom- bzw. Spannungspfad des

ίο 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. Spannungs-Übertragers über Vorwiderstände Zenerdioden als Spannungsbegrenzer angeschaltet sind. Die längs dieser Zenerdioden auftretende Durchbruchspannung wird nur 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 Emit-

K) ter-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 Phasenver-

r> Schiebungswinkel darstellt. Die Auswertung der jeweiligen Impulsbreiten und Impulspausen muß mit Hilfe eines Oszillographen oder eines anderen Schwingungsschreibers erfolgen, so daß keine einfache Anzeigeschaltung verwendet werden kann.

4(i 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 1970, Seite 446), bei der

4^Λ) an die Sekundärwicklungen des Strom- bzw. Spanni: ngsübertragers ebenfalls Spannungsbegrenzerschaltungen angeschaltet sind, wobei diese Spannungsbegrenzerschaltungen zu einer Brückenschaltu:ig miteinander verbunden sind und die Ausgangs-

>(> sp Innung über einen Operationsverstärker ausgewertet wird. Auch bei dieser Schaltungsanordnung ist eine Hi lfsspannung zum Betrieb des Operationsverstärkers erl orderlich und die Schaltungsanordnung weist einen komplizierten Aufbau auf.

v> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Schaltungsanordnung der einga ngs genannten Art zu schaffen, die die Anzeige des Leistungsfaktors auf einem einfachen Meßinstrument ermöglicht und die von Kennlinienänderungen der

w) verwendeten Spannungsbegrenzerelemente weitgehend unabhängig ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfinck ngsgemäß dadurch gelöst, daß die Begrenzungs-

„-> spannungen 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 Strom Übertragers 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 Verbindungspunkt zwischen 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 Einv-eggleichrichter 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 Tj sowie einen Spannungsübertrager T_u auf, die in den Strom- bzw. Spannungspfad eines Wechselstromnetzes eingeschaltet sind, dessen Leistungsfaktor cos φ ϊ gemessen werden soll.

Die Übertragerweisen jeweils eine Primärwicklung Pj bzw. P_u sowie eine Sekundärwicklung S₁ bzw. S_u auf.

Die Klemmen der Sekundärwicklungen sind jeweils

ι« über einen Vorwiderstand mit einer Spannungsbe-' grenzerschaltung verbunden. Die Klemmen der Sekundärwicklung S₁ des Stromübertragers 7J sind über den Vorwiderstand Rl mit einer durch zwei antiparal-IeJ geschaltete Dioden Dl, Dl gebildeten Span-

i"> nungsbegrenzerschaltung verbunden, während die Klemmen der Sekundärwicklung S_u des Spannungsübertragers T_u über einen Vorwiderstand Rl mit den Anschlüssen einer Zenerdiode verbunden sind, die die Spannungsbegrenzerschaltung des Spannungspfades

2Ii bildet. An der Zenerdiode fällt die in Fig. 3a dargestellte Rechteckspannung ab, die durch positive Impulse mit einer der Zenerspannung der Diode D 3 entsprechenden Spannung und durch negative Impulse mit einer der Durchlaßspannung dieser Zenerdiode

r> 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

κι Dl bzw. Dl entspricht. Die mit einem Anschluß der Spannungsbegrenzerschaltungen verbundenen Klemmen der Sekundärwicklungen 5,. und S_u des Strombzw. Spannungsübertragers sind miteinander verbunden, wobei die Anode der Zenerdiode D3 mit diesem

i'j 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

4(i Anschluß des Vorwiderstandes Rl 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

4"> 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 Meßinstru-

5u mentes M verbunden, deren anderer Anschluß über einen Einstellwiderstand Ri mit dem Verbindungspunkt zwischen der Spannungsbegrenzerschaltung in dem Strompfad und dem zugehörigen Vorwiderstand Rl verbunden ist. Dieser Einstellwiderstand Ri ermöglicht eine Eichung der Skala des Meßinstrumentes M. Die vorstehend beschriebene Polang der einzelnen Dioden Dl bis D4 ergibt den Vorteil, daß die positiven Amplituden der Rerhteckspannung α längs der Zenerdiode Di die für die Messung nicht verwen-

bo deten negativen Impulsteile der Spannung b längs der Spannungsbegrenzerschaltung in dem Strompfad sicher übersteigen, so daß keine Gefahr besteht, daC unterschiedliche Änderungen der Durchlaßspannungsabfälle in den beiden Spannungsbegenzerschal-

b5 tungen 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 φ gleich 1 ist. Bei einem induktiven Leistungsfaktor ergibt sich eine Verschiebung der Rechteckspannung längs des Spannungsbegrenzers in dem Strompfad um den Winkel — φ gegc über 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 DA unterdrückt werden. Damit wird das Meßinstrument M von einem größeren Strom durchflossen.

Im Fall eines kapazitiven Leistungsfaktors ergibl sich eine Verschiebung der Rechteckspannung längs der Spannungsbegrenzerschaltung im Strompfad um den Winkel + φ, wie dies in Fig. 2f dargestellt ist. sodaßdie negativen Anteile der in Fig. 2gdargestellten Summenspannung sich über einen kleineren Winkelbereich erstrecken und dem Meßinstrument ein kleinerer Strom zugeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Messung des Leistungsfaktors cos φ 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 Spannungsbegrenzungsschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsspannungen der Spannungsbegrenzerschaltungen voneinander verschieden sind, daß die mit einem Anschluß der jeweiligen Spannungsbegrenzerschaltung direkt verbundenen Klemmen der Sekundärwicklungen (S_jt S_u) der beiden Übertrager (I₁, i_u) an einem gemeinsamen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind und daß die Summe der Spannungen längs der auf diese Weise in Reihe geschalteten Spannungsbegrenzerschaltungen (Dl, Dl; Di) über einen Einweggleichrichter (D 4) einer Anzeigeeinrichtung, z. B. einem Meßinstrument (M) zugeführt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Sekundärwicklung (Sj) des Stromübertragers (T₁) verbundene Spannungsbegrenzerschaltung durch zwei antiparallel geschaltete Dioden (Dl, Dl) gebildet ist und daß die mit der Sekundärwicklung (S_u) des Spannungsübertragers verbundene Spannungsbrenzerschaltungdurch eine Zenerdiode (D3) gebildet ist.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die antiparallel geschalteten Dioden (Dl, Dl) Siliziumdioden sind.

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. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht miteinander verbundenen Anschlüsse der Spannungsbegrenzerschaltungen (Dl, 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.