DE290776C

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Publication number: DE290776C
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KAISERLICHES

PATENTAMT.

Die Erfindung bezieht sich auf die Messung von dreiphasigen Wechselströmen und im besonderen auf die Bestimmung der Gesamtleistung von zwei oder mehreren unabhängigen Verteilungsleitungen, sei es, daß diese verschiedene oder zwar praktisch gleiche, aber nicht zusammenfallende,. d. h. nicht auf eine gemeinsame Erzeugungsstelle zurückzuführende Wechselzahlerj. aufweisen, sei es, daß es sich

ίο um die Messung der Summe aus einer Dreiphasenstrom- und einer Gleichstromleistung handelt. ^:

An Stelle der mechanischen Summierung der den einzelnen Verteilungsleitungen entsprechenden wattmetrischen Wirkungen in einem einzigen Meßgerät wird gemäß der Erfindung eine elektrische Übereinanderlagerung der Wirkungen selbst angewendet, indem die für die Messung in Betracht kommenden Ströme, mindestens zum Teil, mittels Meßtransformatoren in gemeinsame Wicklungen geschickt und nötigenfalls geeignete Schaltanordnungen zur Beseitigung oder Verminderung der Wirkung der störenden Nebenerscheinungen getroffen werden.

Zu diesem Zweck wird z. B. in dem in Fig. ι dargestellten Falle von zwei dreiphasigen Dreileiterleitungen I und II mit verschiedenen Wechselzahlen und irgendeiner Belastungsverteilung ein elektrodynamisches Doppelwattmeter mit den beiden Stromwicklungen A₁A₂ und den zwei Spannungswicklungen F₁F₂ vorgesehen. Die Leiter und die entsprechenden Phasen der beiden Dreiphasenleitungen sind 1' 2' 3' bzw. 1" 2" 3" bezeichnet, wobei die gleichnamigen Phasen in der gleichen Ordnung in den beiden Leitungen aufeinanderfolgen.

Wenn die Anschaltung des Meßgerätes mittelbar über Strom- und Spannungstransformatoren erfolgt, wird man zur Messung der Leistung der Leitung I mit der Wechselzahl % allein nur zwei Strom- und zwei Spanriungstransformatoren in der bekannten Zweiwattmeteranordnung benutzen und die Schaltung unter Wahrung des richtigen Schaltungssinnes des Wattmeters z. B. in der Art der Fig. 2 mit Anlegung der Stromtransformatoren an die Phasen 1 und 2 und der Spannungstransformatoren zwischen diesen Phasen und der Phase 3 treffen.

Es sei nun angenommen, daß zwei Leistungen zu summieren sind, die von der gleichen Erzeugungsstelle ausgehen, d. h. daß in der Schaltung nach Fig. 1 die beiden Belastungen zwar unabhängig voneinander, die beiden Leitungen I und II aber auf der Erzeugerseite von einer gemeinsamen elektromotorischen Kraftquelle, dem gleichen Stromerzeuger oder Transformator oder den gleichen gemeinsamen Verteilungsschienen abzweigen, was übrigens gleichzeitig zur Folge hat, daß die gleichnamigen Phasen einander genau entsprechen. Bekanntlich kann man in diesem Falle die Summe der Leistungen der beiden Leitungen durch eine Summierungsvorrichtung bestim-

men, die zwei Gruppen von Stromtransformatoren, nämlich je eine für jede Linie, mit gleichem Umformungsverhältnis vorsieht. Wie in Fig. ι angegeben ist, werden die Sekundärwicklungen der Stromtransformatoren derselben Phase zu zwei und zwei unter sich parallel geschaltet, so daß sich die Ströme dieser Sekundärwicklungen in den amperemetrischen Wicklungen des Wattmeters in Vektorenart

ίο summieren. Für den voltmetrischen Teil verwendet man nur zwei Spannungstransformatoren, wie Fig. 2 zeigt, da gerade die Spannungen den beiden Leitungen gemeinsam sind. Wenn endlich die beiden Leitungen vollständig unabhängig voneinander und mit verschiedenen Wechselzahlen gespeist werden, wird für den amperemetrischen Teil die anläßlich der beiden Leitungen mit gemeinsamer Erzeugungsstelle erwähnte Summierungsschaltung beibehalten, während für die Spannung an die Leitung II ebenfalls zwei Transformatoren in gleicher Weise wie die der Leitung I gelegt werden, wobei die Sekundärwicklungen in Reihe mit denen der entsprechenden Transformatoren der Leitung I geschaltet werden und diese Transformatoren das gleiche Umformungsverhältnis haben. Der Schaltungssinn ist derart, daß bei Speisung der Leitung I oder der Leitung II allein und bei Anschaltung der Sekundärwicklungen nur der zugehörigen Transformatoren die Wirkungen auf das Wattmeter und infolgedessen die Angaben der beiden Teile desselben sowie des Wattmeters im ganzen für beide Fälle im richtigen Sinne stattfinden.

Wenn man dagegen gleichzeitig alle Transformatoren anschaltet, wie in Fig. 1 dargestellt ist, und beide Leitungen speist, lagern sich in den amperemetrischen Wicklungen des Wattmeters die Ströme verschiedener Wechselzahl übereinander, und es ergibt sich eine mehr oder minder unregelmäßige Einstellung nach der Stärke und Phase dieser Ströme und der Unveränderlichkeit der betreffenden Wechselzahlen.

In ähnlicher Weise lagern sich in den voltmetrischen Stromkreisen des Wattmeters die Wirkungen der beiden Spannungen verschiedener Wechselzahl übereinander und erzeugen Ströme, die auch mehr oder weniger unregelmäßig sind. Was die wattmetrischen Wirkungen anlangt, so werden vier pulsierende und vier in der Richtung wechselnde mechanische Drehmomente auf das Wattmeter ausgeübt.

Man kann die beiden auf die verschidenen Wechselzahlen bezüglichen Komponenten und die durch deren Vereinigung hervorgerufenen Wirkungen für jeden Stromkreis getrennt betrachten. Es seien /Ί/2 und Fi₁₃Fa₁., bzw. J'l J'l und F", 3 V'l 3 die sekundären Ströme und Spannungen der Leitungen I bzw. II, wie in Fig. ι bei den Transformatoren angedeutet ist. Dann ergeben sich die gewöhnlichen pulsierenden Drehmomente als elektrodynamische Wirkung zwischen den Wicklungen wie folgt: /i arbeitet mit Fi, ₃. J{ mit Vi;₃- J" mit Fi', ₃ und ]'■{ mit V'l ₃ zusammen. Ein Strom und eine Spannung, welche sich auf die gleiche Wechselzahl beziehen, wirken also in der nämliehen Weise zusammen wie wenn sie allein vorhanden wären, d. h. wie wenn es nicht außerdem noch eine Speisung mit abweichender Wechselzahl gäbe.

Wegen des Vorhandenseins zweier Speisungen summieren sich die Wirkungen so, daß das Wattmeter hinsichtlich der pulsierenden Drehmomente genau die Summe der beiden Leistungen verschiedener Wechselzahl anzugeben sucht. Anderseits arbeiten die Ströme Jx /2 J" J" ^auch mit den Spannungen Fi₁₃ bzw. V'l 3 bzw. Fi, 3 bzw. F₂,₃ zusammen und rufen so vier Drehmomente mit Richtungswechsel hervor, die von Stärke und Phase der einzelnen Ströme und Spannungen abhängen und sich mechanisch im Meßgerät zusammensetzen, wo sie eine dauernde, mehr oder minder große Schwingung um die dem oben erwähnten genauen Meßwerte der Summe der zwei Leistungen entsprechende Mittellage erzeugen. Die Wechselzahl dieser Schwingung ist der Differenz der Wechselzahlen der beiden Wechselströme der Leitungen I und II gleich.

In manchen Fällen ist der störende Einfluß dieser Wechseldrehmomente auf die von den gewöhnlichen pulsierenden Drehmomenten herrührenden genauen Angaben nur unmerklich. Häufig läßt er sich auch leicht beseitigen. Wenn z. B. die Differenz der beiden Wechselzahlen ziemlich groß ist und insbesondere, wenn es sich um direkt zeigende oder aufzeichnende Wattmeter handelt, kann der Einfluß der Wechseldrehmomente derart herabgedrückt werden, daß er sich nur als eine sehr rasche Schwingung äußert, die gerade wegen ihrer Schnelligkeit und wegen der Dämpfung und dadurch bedingten Trägheit des beweglichen Meßgerätteiles eine so geringe Ausschlagweite hat, daß sie keine Störung mehr darstellt. Ebenso ist es vielfach möglich, wenn diese Schwingung langsamer wird und eine gewisse Ausschlagweite annimmt, eine einwandfreie Wirkungsweise des Meßgerätes mittels irgendeiner der bekannten und bei Meßgeräten üblichen Dämpfungsvorrichtungen herbeizuführen. Aber es gibt auch Fälle, in denen diese nicht genügen, vor allem, wenn die beiden Wechselzahlen nicht stark voneinander abweichen, und wenn das benutzte Wattmeter ein Meßgerät mit Relaiswirkung ist, bei dem die Bewegungen der

Zeigernadel bzw. des Schreibstiftes durch einen ■kleinen Motor oder andere elektrisch mittels geeigneter Kontaktgebüng von dem Meßgerätsystem angetriebene Hilfsmittel erzeugt werden. Die Schwingungen sind natürlich für das gute Arbeiten dieser Kontakte äußerst schädlich und müssen hier nach Möglichkeit unbedingt vermindert werden.

Dies läßt sich in vollkommener oder doch

ίο hinreichender Weise meist durch eine besondere Anordnung der Schaltverbindungen während der Einschaltung des Wattmeters und der zugehörigen Transformatoren erreichen. Gemäß dieser Anordnung, die ebenfalls in den Rahmen der Erfindung fällt, werden die Schaltverbindungen so ausgeführt, daß die einzelnen störenden Wechseldrehmomente, die auf das Wattmeter ausgeübt und von Strömen und Spannungen verschiedener Wechselzahl erzeugt werden, sich möglichst gegenseitig aufzuheben suchen, was sich selbst unter Wahrung des richtigen Wirkungssinnes für die pulsierenden Hauptdrehmomente verwirklichen läßt, welche die Summe der beiden zu messenden Leitungen angeben sollen.

Unter Bezugnahme auf die Schaltung nach Fig. ι sei zur Vereinfachung und Bequemlichkeit der graphischen Darstellung, ohne jedoch der allgemeinen Gültigkeit der Schlußfolgerungen etwas zu nehmen, vorausgesetzt, daß es sich um zwei ausgeglichene Dreiphasenbelastungen mit den Wechselzahlen ni bzw. nu, den Leistungsfaktoren cos φ' bzw. cos φ" und gleichen Strom- und Spannungswerten handelt.

Die Fig. 3 und 4 zeigen die bekannten Vektordiagramme für die Belastungen mit der Wechselzahl nj bzw. njr, wobei in beiden Fällen die Ströme als in der Phase den zugehörigen einfachen Spannungen nacheilend angenommen sind.

C₁ = 2 VJ cos — —

Wie anläßlich Fig. 1 angegeben wurde, folgen sich gleichnamige Phasen in gleicher Ordnung in den beiden Leitungen I und II. Unter Beibehaltung der Voraussetzungen, die oben bezüglich der gleichen Aufeinanderfolge der Phasen und des gleichen Schaltsinnes der Transformatoren am Wattmeter für jede der beiden Leitungen gemacht wurden, kommen in Fig. 4 für die Leitung mit /der Wechselzahl nn und für die Phase 1 die in gestrichelten Linien eingezeichneten Werte /" und V'(\ ₃ in Betracht, und es ergibt sich für das Diagramm der verschiedenen Vektoren eine Aufeinanderfolge, die der in Fig. 3 für die Leitung mit der Wechselzahl «/ dargestellten analog ist. Wenn man für diese Bedingungen und für die Phasenwinkel der Fig. 3 und 4 das Diagramm der Wechseldrehmomente aufzeichnet, erhält man das Diagramm nach Fig. 5, in dem bei jedem Vektor die entsprechenden Ströme und Spannungen eingetragen sind. Wie man sieht, haben die beiden Vektoren, die sich auf das eine der einfachen, das Dreiphasensystem bildenden Wattmeter beziehen (d. h. J'i V¹Ii und /'/FU) und die beiden Vektoren, die zu dem anderen der einfachen Wattmeter gehören (d. h. J'{ V₁, ₃ und J[ V'l „), ihre Resultanten nicht nur auf der gemeinsamen, in Fig. 5 gestrichelt angegebenen Mittellinie liegend, sondern auch im gleichen Sinne gerichtet. Die Resultanten suchen also die Wirkungen der zwei Paare von Störungsdrehmomenten zu summieren. Wird unter dieser Annahme der Wert des resultierenden Gesamtdrehmomentes, das die Schwingungen am Meßgerät verursacht, berechnet, so bestimmt sich sein Höchstwert C₁ als Funktion der Spannungswerte V, der Strom werte / und der Phasenwinkel φ' und φ" nach folgender Formel:

oder, wenn φ« der Mittelwert der Phasenwinkel φ' und φ" ist: ⁴⁵ C₁= 2F/[cos(3O° — cp_ra) + cos(3O° + <

Nimmt man jetzt in der Phase 1 der Leitung mit der Wechselzahl nj den Schaltsinn auf der Primär- und Sekundärseite der beiden zugehörigen Transformatoren, d. h. die Richtung von Strom /" und von Spannung V", ₃ verkehrt an, so kommen in Fig. 4 die entsprechenden, in vollen Linien eingetragenen Vektoren — /'/ und — F" ₃ in Betracht, und das Diagramm der Fig. 5 verwandelt sich in das nach Fig. 6, in der die Resultanten der

C₂ = 2 F / cos

oder:

2

C₂ = 2 VJ [cos (30⁰ —<p,„) —cos (30⁰ + φ™)]·

beiden Drehmomentpaare für sich gleich denen nach Fig. 5 sind, aber in einander entgegengesetzter Richtung auf der gemeinsamen Mittellinie liegen. Die Wirkungen der beiden Störungsdrehmomentenpaare subtrahieren sich also hier voneinander, und das resultierende Gesamtdrehmoment wird entsprechend vermindert. In der Tat ergibt sich für den neuen Wert dieses Drehmomentes der Ausdruck:

. _ ₂ VJ cos

Das Verhältnis zwischen den beiden Werten des Gesamtdrehmomentes bestimmt sich zu

Dieses Verhältnis hängt also bei Voraussetzung der Gleichheit für alle Strom- und Spannungswerte vom Werte <p_m ab. In den Fig. 3 bis 6 ist C₂ < C₁, was besagt; daß die

ίο zweite durch Umkehr der Schaltverbindungen eines Paares von Transformatoren erhaltene Schaltung vorteilhafter als die erste ist, da sie ein kleineres Schwingungsdrehmoment liefert. . Wenn ein Unterschied in den Stromstärken oder Spannungen, sei es unter den beiden Leitungen, sei es unter den Phasen ein und . derselben Leitung, vorhanden ist, .■..■■■■■'■■■ ' C

hängt das Verhältnis '-^-. außer von φ' und φ" . ■. ■■'■■ ■■''■■■■"■■ C₁ ■■■■■■

ao auch noch von . diesen Werten ab. Je nach den'Betriebsbedingungen der zwei Leitungen kann sich demnach die .erste ·— künftighin »gleichgerichtet« genannte — Schaltung oder die zweite — künftighin als »entgegengesetzt gerichtet« bezeichnete — Schaltung als empfehlenswert herausstellen. Auf jeden Fall aber ist es möglich, unter der Voraussetzung der obigen Werte als bekannt oder als wahrscheinlich angenommen, zu bestimmen, welche der beiden Kombinationen als die günstigere für die Schaltung des Wattmeters und seiner Transformatoren anzusehen ist. Wenn man von " der gleichgerichteten Schaltung ausgeht und die Umkehrung der Schalt verbindungen an zwei Paaren oder allgemein an einer geraden Zahl von Paaren von Transformatoren der gleichen Leitung oder von verschiedenen Leitungen . ausführt, so kommt man für die Störungsdrehmomente wieder auf ein Diagramm, das mit dem für das gewählte Beispiel in Fig. 5 gegebenen identisch ist. Findet dagegen diese Umkehrung für eine ungerade Zahl von Paaren statt, so erhält man wieder das Diagramm der Fig. 6. Es gibt also immer eine bestimmte Zahl von ungünstigen Kombinationen und eine gleiche Anzahl günstiger Kombinationen; die zu letzteren gehörigen Elemente lassen sich leicht bestimmen, falls man die nötigen Werte kennt und sich nach den obigen Angaben zur Ausführung der dieser gewählten Kombination entsprechenden Schaltverbindungeri richtet.

Praktisch kann es nützlich sein, beide Schaltungen anzuwenden, wobei iftan nur darauf, zu achten hat, daß das Wattmeter im richtigen Sinne für die zwei Belastungen anzeigt, ohne sich um den Schaltsinn jeder Schaltung für sich noch um ihre gegenseitige Beziehung zu kümmern. Bezüglich der Schwingungen vergleicht man dann die Arbeitsweise des Meßgerätes mit der, welche sich bei Umkehrung der Schaltverbindungen eines einen Strom- und einen Spannungstransformator der gleichen Leitung und Phase umfassenden Transformatorenpaares ergibt. Die mittleren Angaben des Wattmeters bleiben übrigens von dieser Änderung unbeeinflußt. Aus dem Vergleich läßt sich auf 'die für die Schwingungsdämpfung bessere Schaltung schließen.

Die erläuterte Anordnung für zwei Dreiphasenleitungen und ein elektrodynamisches Doppelwattmeter mit Transformatoren gibt natürlich nur beispielsweise einen der in den Rahmen der Erfindung fallenden besonderen Fälle wieder. Im allgemeinen handelt es sich um mehrere ein- oder dreiphasige Wechselstromleitungen, wobei die Drei* oder Vierleiterdreiphasenleitungen ganz· oder teilweise ohne Meßtransformatoren Unmittelbar mit dem Meßgerät, verbunden sind. Eine der Leitungen kann auch Gleichstrom führen, für den ein unmittelbarer Anschluß des Meßgerätes notwendig ist. Es wird dann die Summe aus einer Wechselstrom- und einer Gleichstromleistung gemessen. Die Transformatoren können, statt daß sie wie beim beschriebenen Beispiel gleiches Umformungsverhältnis für beide Leitungen haben, auch verschiedene Umformungsverhältnisse aufweisen.

Das Wattmeter, für das in der Zeichnung beispielsweise eine elektrodynamische Bauart gewählt ist, kann ebenso ein Meßgerät nach dem Induktionsprinzip oder nach irgendeinem anderen Wirkungsprinzip sein. Nötigenfalls läßt sich das Doppelwattmeter durch ein einfaches Wattmeter ersetzen. Unter Wattmeter ist nicht nur ein wirklicher, anzeigender oder aufzeichnender Leistungsmesser, sondern auch ein wattmetrisches Relais oder auch ein Leistungszähler nach dem elektrodynamischen; dem induktiven oder irgendeinem anderen Wirkungsprinzip zu verstehen.

In manchen Fällen und besonders bei Verwendung von, Zählern wird man, wie oben erwähnt wurde, für die Schaltung die Suche nach den Schaltrichtungen der Verbindungen, welche die günstigsten sind, vermeiden können, soweit nur die Beobachtungen in Betracht kommen würden. Es könnte nämlich gegebenenfalls von Bedeutung sein, zur Ver- no minderung der Reibung der beweglichen Teile und damit zur Verkleinerung der Abweichung oder Verzögerung des Meßgerätes diejenigen, welche günstig wären, ins Auge zu fassen.

In allen diesen Fhllen bezieht sich die Erfindung nur auf die Schaltanordnung, welche eingangs beschrieben und sehematisch als Beispiel in Fig. ι dargestellt ist. In allen anderen Fällen, in denen ein mehr oder weniger vollständiger gegenseitiger Ausgleich der verschiedenen Schwingungsdrehmomente erreicht werden soll, umfaßt die Erfindung auch die

Claims

besondere Anordnung der Schaltverbindungen in dem zur Erzielung dieses Ausgleiches geeigneten Schaltsinne nach der vorausgehenden Beschreibung.

Patekt- Ansprüche:

i. Anordnung zur Messung der Summe der Leistungen mehrerer Verteilungsleitungen mit verschiedener Wechselzahl mittels eines Wattmeters, dadurch gekennzeichnet, daß die wattmetrischen Wirkungen der verschiedenen, einander entsprechenden Ströme mit Hilfe von an die einzelnen Verteilungsleitungen gelegten Meßtransformatoren in den gleichen Wicklungen des Wattmetersystems übereinandergelagert werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Verteilungsleitungen mit dem Wattmeter ohne Zwischenschaltung von Transformatoren oder unter teilweiser Weglassung derselben verbunden ist.
3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn eine der Verteilungsleitungen Gleichstrom führt, diese mit dem Wattmeter ohne Zwischenschaltung von Transformatoren verbunden ist.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen.