DE288472C - - Google Patents

Description

KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Wattstundenzähler oder Wattmeter für mehrphasige, ungleich belastete Anlagen sind in der Regel nach der Zweiwattmetermethode geschaltet und enthalten demgemäß zwei Haupt stromspulen und zwei dünndrahtige Stromzweige. Der Zähler gemäß der Patentschrift 128739 enthält zwei Hauptstromspulen und nur einen dünndrähtigen Stromzweig, doch muß bei diesem Zähler das magnetische Feld, welches einer der beiden Hauptstromspulen entspricht, auf künstliche Weise, z. B. durch Anordnung einer sekundären, kurzgeschlossenen Spule, um 60 ° in der Phase verschoben werden. Da durch dieses Hilfsmittel das Feld

!5 der zweiten Hauptstromspule nicht beeinflußt werden darf, müssen die beiden Hauptstromspulen voneinander getrennt und daher auch zwei dünndrahtige Spulen angewendet werden. Der Zähler kann auch nur für eine bestimmte Periodenzahl richtig zeigen, weil die Phasenverschiebung des Feldes der einen Hauptstromspule von der Periodenzahl abhängig ist. Gegenstand der Erfindung ist ein Wattstundenzähler oder Wattmeter für mehrpha-

²S sige, ungleich belastete Anlagen, bei welchem die den einzelnen Lampenzweigen entsprechenden Ströme unverkettet durch besondere Hauptstromspulen geführt sind und ein einziges resultierendes magnetisches Feld erzeugen, welches auf einen einzigen dünndrahtigen Kreis wirkt, in welchem sich nur eine Spule zu befinden braucht. Dadurch, daß die Ströme, welche den einzelnen Lampenzweigen entsprechen, unverkettet durch besondere Hauptstromspulen geführt sind, ist erreichbar, daß die Anlage in beliebiger Art mit Lampen und mehrphasigen Motoren belastet werden kann und der Zähler, wenn er als elektrodynamisches Meßgerät ausgeführt ist, auch bei beliebiger Periodenzahl richtig mißt. Die bekannten Zähler gemäß der österreichischen Patentschrift 8705 und den deutschen Patentschriften 97568 und 126640 sowie gemäß der Fig. 3 der amerikanischen Patentschrift 531868 enthalten ebenfalls Hauptstromspulen, welche ein resultierendes magnetisches Feld erzeugen, und nur einen dünndrahtigen Kreis, doch sind diese Zähler nur zur Messung des Verbrauches von gleich belasteten mehrphasigen Anlagen geeignet, da nicht vorgesorgt ist, daß die den einzelnen Glühlampenzweigen entsprechenden Ströme durch besondere Hauptstromspulen geführt sind.

In den Fig. 1 bis 6 ist der Erfindungsgegenstand in mehreren Ausführungsformen schematisch dargestellt.

Fig. ι stellt die Schaltung eines Zählers oder Wattmeters für eine dreiphasige Anlage ohne Ausgleichsleitung dar.

Fig. 2 zeigt das zugehörige Polardiagramm der einzelnen Ströme und Spannungen.

Fig. 3 stellt eine geänderte Ausführungsform des Zählers gemäß der Fig. 1 dar.

Fig. 4 stellt die Schaltung eines Zählers

oder Wattmeters für eine Anlage mit verkettetem Zweiphasenstrom dar.

Fig. 5 zeigt das zugehörige Polardiagramm. Fig. 6 stellt die Schaltung eines Zählers oder Wattmeters für eine Anlage mit nicht verkettetem Zweiphasenstrom dar.

In der Fig. ι sind die Zuleitungen des Dreiphasenstromes mit i, 2, 3, der Zähler mit Z bezeichnet. Von den Zuleitungen i, 2, 3 sind drei unabhängige Stromkreise I, II, III für den Anschluß von Glühlampen L abgezweigt; zu diesem Zweck sind am Zähler sechs Klemmen A angeordnet. In jedem der Stromkreise ist innerhalb des Zählers eine dickdrahtige Spule eingeschaltet. Die Spulen S₁ und S₃ in den Stromkreisen I und III sind in entgegengesetzter Richtung eingeschaltet im Vergleich mit der Spule S₂ im Stromkreis II und haben mehr Windungen als die Spule S₂; sie sollen unter der Annahme von gleich starken Strömen ein doppelt so starkes magnetisches Feld erzeugen wie die Spule S₂. Alle drei Spulen S₁, S₂, S₃ sind so angeordnet, daß sie ein gemeinsames resultierendes magnetisches Feld erzeugen. Praktisch genommen, erhalten die Spulen S₁ und S₃ doppelt so viel Windungen wie die Spule S₂. Die Spulen können neben- oder übereinander gewickelt sein. Der Zähler erfordert nur einen dünndrahtigen, in Nebenschluß geschalteten Stromzweig; derselbe ist an die Leitungen des Stromkreises II zu schalten, in welchem sich die Spule S₂ befindet. Man ersieht zunächst, daß die Energie, welche die Glühlampen in den Stromkreisen I, II, III verbrauchen, richtig registriert wird, auch wenn die Lampen ungleichmäßig verteilt sind. Die Spannung zwischen den Leitungen 1 und 2, d. i. die Spannung im Stromkreis I, möge mit e₁₂ und die Stromstärke der Lampen mit i₁₂ und in analoger Weise die Spannungen und Stromstärken der Lampen in den Stromkreisen II und III mit e₂₃, e_zl und ^₂₃, ^₃₁ bezeichnet werden. Alle diese Zeichen mögen für die Effektivwerte gelten. Die Energie, welche die Lampen im Stromkreis II verbrauchen, wird in richtiger Weise registriert, weil der Zähler bezüglich des Stromes ^₂₃ und der Spannung e₂₃ wie ein Zähler für einphasigen Strom geschaltet ist. Zwischen dem Strom i₁₂ und der Spannung e₂₃ besteht ein Phasenunterschied von —120°; da jedoch die Spule S₁ verkehrt eingeschaltet ist im Vergleich mit Spule S₂, ist die Wirkung auf den Zähler dieselbe, als ob der Phasenunterschied gleich wäre 60 °.

Zwischen dem Strom i₃₁ und der Spannung e₂₃ besteht ebenfalls ein Phasenunterschied von 120°, doch ist wegen der verkehrten Einschaltung der Spule S₃ die Wirkung auf den Zähler so beschaffen, als ob der Phasenunterschied gleich wäre —60°. Infolge dieses Umstandes sollten die Energien, welche den Lampenströmen i_vi und i₃₁ entsprechen, nur zur Hälfte registriert werden. Da jedoch die magnetisierende Wirkung der Spulen S₁ und S₃ infolge ihrer größeren Windungszahlen doppelt so groß ist wie die der Spule S₂, so erfolgt die Registrierung der verbrauchten Energie in richtiger Weise.

In den Drehstrommotoren sind die Wicklungen entweder gemäß der Sternschaltung oder Dreieckschaltung verkettet. Ein derartiger Motor M kann, gleichgültig, welche , Art der Schaltung angewendet ist, in der in der Fig. 1 ersichtlichen Art angeschaltet werden. Die erste Phase ist in der Mitte der Spule S₁ angeschaltet, die zweite Phase vor der Spule S₂, die dritte Phase hinter der Spule S₃. Zum Anschluß der zum Motor M führenden Leitungen dienen die drei Klemmen B. Die Effektivwerte der Stromstärken in den drei Phasen seien mit i_x, i_%

die

Phasenspannungen in den Wicklungen des Motors mit e_v e₂, e_s, die Phasenverschiebung zwischen diesen Strömen und Spannungen mit φ bezeichnet. Es sei angenommen, daß die Ströme und Spannungen in den drei Phasen gleich groß sind. In dem Polardiagramm (Fig. 2) sind die Phasenspannungen und Ströme des Motors und die verketteten Spannungen dargestellt.

Der Strom I₁ durchfließt die Hälfte der Spule S₁; die Phasenverschiebung zwischen dem Strom I₁ und der Spannung e₂₃ ist gleich — (90 — φ),' doch ist' wegen der verkehrten Einschaltung der Spule S₁ mit dem Wert (90 + ψ) zu rechnen. Der Strom i₂ durchfließt gar nicht die Spule S₂. Der Strom i_s durchfließt die ganze Spule S₃; die Phasenverschiebung zwischen i._A und % ist gleich (150 + φ), doch ist wegen der verkehrten Einschaltung der Spule S₃ mit dem Wert — (30 — φ) zu rechnen. Unter Berücksichtigung der wirksamen Windungen der Spulen folgt, daß der Zähler folgende Größe registriert:

e₂₃ Ii₁ cos (90 + qi) + 2 ig cos (30 — φ)]

= 2 e₂₃ i_t cos 30 cos φ = 3 e_x I₁ cos φ.

Dieser Wert entspricht der tatsächlichen verbrauchten Leistung. Dasselbe gilt für den ^uo Fall, wenn der Motor Dreieckschaltung hat. Soll der Zähler die vom Motor verbrauchte Energie mit einem billigeren Tarif registrieren wie den Lampenstrom, so braucht man nur die zu dem Motor führenden Abzweigungen bei den Spulen S₁ und S₃ so anzuschließen, daß ein entsprechend kleinerer Teil der Windungen von den Strömen durchflossen wird.

Wenn der Zähler nur zur Messung der Energie, welche Drehstrommotoren verbrauchen, allein dient, so entfallen die für den Anschluß der Glühlampen erforderlichen Ab-

zweigungen; ferner entfällt, wie aus der Fig. ι ersichtlich ist, die Spule S₂, die Spule S₁ braucht nur halb so viel Windungen zu haben wie die Spule S₃.

Schaltet man an die Klemmen A der drei Stromkreise I, II, III (Fig. i) gleiche induktive Belastungen, z. B. die nicht verketteten Wicklungen D eines dreiphasigen Motors, so erfolgt die Registrierung ebenfalls in richtiger

ίο Art. Die Stromstärken in den drei Wicklungen des Motors mögen mit V-

■ 23·

und die Phasenverschiebung, welche zwischen diesen Strömen und den zugehörigen Spannungen e₁₂, e₂₃, e_3l besteht, wieder mit φ bezeichnet werden. Die Effektiv wer te der Ströme und Spannungen mögen als gleich groß angenommen werden. Die dem Strom i\₃ entsprechende Energie (i'₂₃ e₂₃ cos q>) wird in gleicher Weise wie bei einem Zähler für einphasigen Strom registriert. Zwischen der Spannung e₂₃ und dem Strom i'₁₂ in der Spule S₁ besteht wegen der verkehrten Einschaltung der Spule S₁ ein Phasenunterschied von (60 + φ), zwischen i'₃₁ und e_ä3 in analoger Weise ein Phasenunterschied von — (60 — φ). Die Leistung, welche vom Zähler registriert wird, ist mit Berücksichtigung der Windungszahlen der Spulen:

^23 [2 *'l2 COS (60 + φ) + i'₂₃ COS φ

+2 i'₃₁ cos (60 — φ)] = 3 e₂₃ i'_i3 cos φ.

Dieser Wert stimmt mit dem tatsächlichen Verbrauch überein. Man ersieht auch, daß die den Strömen i'_n und i'₃₁ entsprechenden Energien einzeln nicht richtig registriert werden, doch wird ihre Summe richtig registriert. Es ist einleuchtend, daß an die Stromkreise gleichzeitig Lampen L, Motoren M und induktive Widerstände D angeschaltet werden können, weil sich die Wirkungen der einzelnen Ströme superponieren.

Ein einzelner induktiver Widerstand D' oder ein Bogenlampenkreis kann, wie in der Figur dargestellt ist, an die Phase II angeschaltet werden, weil sich bezüglich dieser Phase der Zähler wie ein Zähler für einphasigen Strom verhält. Man könnte auch zwei gleiche induktive Widerstände an die Phasen I und III schalten, dürfte aber nicht einen einzelnen induktiven Widerstand an eine dieser Phasen schalten, weil sonst der Zähler zu viel oder zu wenig registriert.

Im Falle ein un verketteter Dreiphasenstrom gegeben ist, bleibt die Einrichtung des Zählers die gleiche. Er ist bezüglich der drei Stromphasen genau so zu schalten, wie bezüglich der drei Stromkreise I, II, III in der Fig. 1. Der Zähler kann in bezug auf die Anordnung der Spulen Abänderungen erleiden. Man kann z. B. die in der Fig. 3 dargestellte An-Ordnung wählen. In diesem Falle ist die Spule S₁ in der Fig. 1 durch zwei Spulen S\, S'{ von halber Windungszahl ersetzt, welche in den beiden Stromleitungen des Stromkreises I eingeschaltet sind; die Spule S₂ ist in die zweite Leitung des Stromkreises II verlegt, die Spule S₃ ist unverändert belassen worden.

Zwecks Messung der Energie, welche der Drehstrommotor M verbraucht, könnte man anstatt der beschriebenen Art des Anschlusses der Leitungen die Abzweigung für den Strom i₂ so machen, daß zwei Drittel der Windungen der Spule S₂ vom Strom durchflossen werden, der Strom i₃ sollte ebenfalls durch zwei Drittel der Windungen der Spule S₃ fließen, dagegen der Strom J₁ nur durch ein Zwölftel der Windungen der Spule S₁ fließen. Auch in diesem Falle wird die vom Motor verbrauchte Energie richtig registriert.

Im dünndrahtigen Kreis könnte man z. B. anstatt einer dünndrahtigen Spule zwei wählen, welche unter Vorschaltung von Widerständen an die Spannungen — e_l2 und — e₃₁ geschaltet wären; dadurch würde aber die Einrichtung des Zählers komplizierter werden. Das Wesentliche ist, daß im magnetischen Feld der Spulen S₁, S₂, S₃ nur ein bewegliches Zählersystem vorhanden ist.

In der Fig. 4 ist angenommen, daß verketteter Zweiphasenstrom gegeben ist; die verkettete Leitung ist mit o, die beiden · anderen Leitungen sind mit 1 und 2 bezeichnet. Der Zähler Z enthält zwei dickdrahtige Spulen S₁ und S₂ von gleicher Windungszahl, welche in die Leitungen 1 und 2 ,geschaltet sind. Der dünndrahtige ■ Kreis ist an die Leitungen 1 und 2 geschaltet. Die beiden Phasen sind mit I und II, die drei Anschlußklemmen mit A bezeichnet.' Im Polardiagramm (Fig. 5) sind die Fadenspannungen «₁₀ und e₂₀ sowie die verkettete Spannung e₁₂ dargestellt.

Schaltet man an die beiden Phasen Lampen an, so wird die verbrauchte Energie, wie sich leicht nachweisen läßt, vom Zähler richtig registriert. Die Stromstärken, welche den Lampen in den beiden Phasen entsprechen, mögen mit i₁₀ und i₂₀ bezeichnet werden. Diese Ströme stimmen in der Phase mit den Spannungen e₁₀ und e_w überein. Der Strom i_i0 schließt mit der Spannung «₁₂ den Phasenwinkel 45 ° ein; der Strom i₂₀ schließt den Phasenwinkel 135 ° ein. Die Spulen S₁ und S₂ sind in die Leitungen 1 und 2 genau so wie bei einem Zähler für einphasigen Strom eingeschaltet. Der Zähler registriert demnach folgenden Energiewert:

_w cos 45 — i₂₀ cos 135]
= "i2 cos 45 (i₁₀ + I₂₀

= e

_l0

{i₁₀ + i₂₀)

Da die Phasenspannungen als gleich groß angenommen werden können, erfolgt die Registrierung der Energie in richtiger Art. Wegen

der Phasenverschiebung von 45 wäre die Energie im Verhältnis 1 : ]/2 zu gering registriert worden; dies wird aber dadurch kompensiert, daß der dünndrahtige Kreis an die verkettete Spannung angeschlossen ist, welche ]/'2 mal größer ist als die Phasen spannung.

Schaltet man an die beiden Phasen einen zweiplmsigen Motor mit gleich belasteten Stromzweigen an, so wird die verbrauchte Energie ebenfalls richtig registriert. Die als gleich groß angenommenen Stromstärken in den beiden Zweigen seien mit i'_lo und i'_W) die Phasenverschiebung zwischen diesen Strömen und den Phasenspannungen mit-q> bezeichnet (Fig. 5).

¹S Man ersieht, daß der Zähler mit Rücksicht auf die Art der Schaltung der Spulen S₁ und S₂. folgenden Energiewert registriert:
e_vl [i'j₀ cos (45 — φ) — i'_2o cos (135 — φ)]
— ^ßi2 *'io" ^{2 cos} 45 ^cos Φ ^{== z fi}io *'io ^cos 9· Sollte die vom Motor M verbrauchte Energie zu billigerem Tarif registriert werden, so braucht man nur die zum Motor führenden Außenleitungen an entsprechenden Stellen der Spulen S₁ und S₂ anzuschließen, so daß die Zweigströme des Motors nicht alle Windungen dieser beiden Spulen durchfließen.

Einphasige Verbrauchsapparate dürfen nur an die verkettete Spannung e_yi angeschlossen werden. Um zu erreichen, daß die verbrauchte Energie richtig registriert wird, darf der Strom nur durch eine der beiden Spulen S₁ oder S₂ fließen, und müßte man daher die eine Zuleitung, z. B. die rechte, schon vor der Spule S₂ anschließen. Eventuell könnte, man die beiden Zuleitungen in der Mitte der beiden Spulen S₁ und S₂ anschließen.

Die Fig. 6 bezieht sich auf den Fall, daß unverketteter Zweiphasenstrom gegeben ist.

In den beiden Stromphasen sind übereinstimmend wie in der Fig. 4 die beiden Hauptstromspulen S₁ und S₂ einzuschalten. Um bezüglich der dünndrahtigen Spule auch die gleichen Verhältnisse zu schaffen wie in der Fig. 4, hat man den Anfang dieser Spule mit je einer Stromleitung der beiden Phasen unter Zwischenschaltung, eines Widerstandes / zu verbinden und ebenso das Ende der Spule unter Zwischenschaltung gleicher Widerstände / mit den beiden anderen Stromleitungen zu verbinden. Wenn der Widerstand der dünndrahtigen Spule mit w und der beim Zähler gemäß Fig. 4 vorgeschalteteWiderstand mit r bezeichnet wird,

so hat man / =

— zu wählen. Unter

diesen Verhältnissen verhält sich der Strom

der dünndrahtigen Spule genau so, als ob die , Spule unter Vorschaltung des Widerstandes r an die verkettete Spannung angeschlossen wäre wie beim Zähler gemäß der Fig. 4. Im Falle von Ferrariszählern können die Widerstände r durch Drosselspulen gebildet sein. Man kann die verkettete Spannung auch mittels zweier Spannungstransformatoren erzeugen, welche an die beiden Phasen angeschaltet sind und einen gemeinsamen sekundären Kreis haben.

Die in der Fig. 6 dargestellte Einrichtung für den dünndrahtigen Stromzweig des Zählers könnte man auch bei einem Zähler für dreiphasige Anlagen anwenden.' Man könnte den Zähler gemäß der Fig. 1 so abändern, daß man den dünndrahtigen Stromzweig nicht an die Leitungen des Stromkreises II anschaltet, sondern Anfang und Ende der dünndraht.igen Spule unter Vorschaltung von je zwei Widerständen mit den Leitungen der Stromkreise I und III verbindet, wodurch für die dünndrahtige Spule dieselben Verhältnisse geschaffen werden können, als ob sie so wie in der Fig. 1 unter Vorschaltung eines Widerstandes an die Leitungen des Stromkreises II geschaltet wäre.

Die beschriebenen Zähler oder Wattmeter für mehrphasige Anlagen bieten den Vorteil, daß sie nur ein System von Hauptstromspulen und ein bewegliches System zu enthalten brauchen, wodurch die Konstruktion vereinfacht ist. Diesem großen Vorteil steht nur der geringe Nachteil gegenüber, daß im Falle von dreiphasigen Anlagen die Klemmenbretter für die Glühlampenstromkreise sechs Lamellen anstatt dreier Lamellen erhalten müssen.

Claims (6)

P a tent-Ansprüche:

1. Wattstundenzähler oder Wattmeter für mehrphasige, ungleich belastete Anlagen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme, welche den einzelnen Glühlampenzweigen entsprechen, unverkettet durch besondere Hauptstromspulen hindurchgehen und ein einziges resultierendes magnetisches Feld erzeugen, welches auf einen einzigen, in Nebenschluß geschalteten Stromzweig wirkt.

2. Ausführungsform des Zählers oder Wattmeters nach Anspruch 1 für dreiphasige Anlagen ohne Ausgleichsleitung, dadurch gekennzeichnet, daß von den drei Zuleitungen drei voneinander unabhängige Stromkreise verschiedener Phase abgezweigt sind; wobei in jeden Stromkreis eine dickdrahtige Spule des Zählers oder Wattmeters eingeschaltet ist, von welchen Spulen zwei im Vergleich mit der dritten Spule ein doppelt so starkes magnetisches Feld bei gleicher Stromstärke erzeugen, und wobei der im Nebenschluß geschaltete Stromzweig des Zählers oder Wattmeters an jene Phase des dreiphasigen Systems angeschlossen ist, in welches die Hauptstromspule mit der geringen Windungszahl eingeschaltet ist.
: 3. Ausführungsform des Zählers oder

Wattmeters nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Anfang als auch das Ende der in Nebenschluß geschalteten Spule des Zählers oder Wattmeters unter Vorschaltung von Widerständen mit den Leitungen jener Stromkreise verbunden. sind, in welchen die dickdrahtigen Spulen mit den stärkeren magnetischen Feldern eingeschaltet sind, wodurch für die dünndrahtige Spule dieselben Verhältnisse geschaffen werden, als ob sie unter Vorschaltung eines Widerstandes an die Leitungen jenes Stromkreises angeschaltet wäre, in welchem sich die dickdrahtige Spule mit dem schwächeren magnetischen Feld befindet.

4. Ausführungsform des Zählers oder Wattmeters nach Anspruchs für die gleichzeitige Messung der von Motoren uud Lampen verbrauchten Energie, dadurch gekennzeichnet,, daß in die zu den Motoren, führenden drei Leitungen von den zwei Hauptstromspulen, welche je ein stärkeres magnetisches Feld liefern, die eine ganz, die andere zur Hälfte eingeschaltet ist, während die dritte, das schwächere Feld liefernde Hauptstromspule gar nicht in den Motorkreis eingeschaltet ist.

5. Ausführungsform des Zählers oder Wattmeters nach Anspruch 1 für ungleich belastete Anlagen mit verkettetem Zweiphasenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß in die beiden nicht verketteten Leitungen gleiche Hauptstromspulen eingeschaltet sind, durch welche das resultierende magnetische Feld erzeugt wird, und daß der dünndrahtige Stromzweig des Zählers oder Wattmeters an die verkettete Spannung angeschlossen ist.

6. Ausführungsform des Zählers oder Wattmeters nach Anspruch 1 für ungleich belastete Anlagen mit nicht verkettetem Zweiphasenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß in die beiden Phasen gleiche Hauptstromspulen eingeschaltet sind, welche das resultierende magnetische Feld erzeugen, und daß sowohl der Anfang als auch das Ende des dünndrahtigen Stromzweiges des Zählers oder Wattmeters unter Einschaltung von Widerständen mit je einer Hauptleitung der beiden Stromphasen verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.