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Elektrizitätszähler zum Messen einer aus Wirk- und Blindleistung zusammengesetzten
Belastung. Es sind bereits Meßgeräte bekannt, welche in Mehrphasenw-echselstromanlagen
nicht die Wirkleistung anzeigen, sondern Angaben machen, die mit wachsender Nacheilung
relativ zunehmen, mit wachsender Voreilung relativ abnehmen. Da die Leistungsfähigkeit
der Dynamomaschine in Watt um so kleiner ist, je größer die nacheilende Verschiebung
des Stromes gegen die Spannung v ird, und da die bei einer bestimmten Stromstärke
in der Maschine und in den Leitungen auftretenden Verluste gegenüber der durch die
Phasenverschiebung verminderten Leistung relativ größer sind, so sollen durch derartige
Meßgeräte die Konsumenten des Stromes zur Tragung derjenigen Kosten mit herangezogen
werden, die den Elektrizitätswerker aus der Lieferung der Blindleistung entstehen.
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Bisher hat man sich darauf beschränkt, solche Zähler ausschließlich
für die Benutzung in Drehstromanlagen zu schaffen, wo die zur Messeng erforderlichen
Feldverschiebungen dadurch erreicht werden, daß die die Felder erregenden Spulen
in ganz bestimmten Phasen des Drehstromsystems geschaltet werden.
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Derartige Zähler haben den Nachteil, daß sie nicht mehr richtig zeigen,
sobald eine der Linienleitungen unterbrochen wird. Außerdein ist die Herstellung
der Verbindungen solcher Zähler unübersichtlich, d a die Spannungsspulen des Wirkverbrauchstriebsystems
an andere Phasen anzuschließen sind als diejenigen des Blindverbrauchstriebsystems.
Da außerdem zur Registrierung der Energie in ungleich belasteten Drehstromnetzen
zwei Triebsysteme für den Wirkverbrauch und zwei für den Blindverbrauch vorzusehen
sind, die sich sehr schwierig so aufbauen lassen, daß sie auf einen gemeinschaftlichen
rotierenden Teil wirken, so ist man gezwungen, die ersteren und die letzteren Systeme
je für sich auf einen rotierenden Teil wirken zu lassen und die Summe durch Summierung
der Einzeläblesungen oder die Differenz der Zählerangaben durch Differentialgetriebe
auf ein drittes gemeinschaftliches Zählwerk zu übertragen.
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Diese Mängel der bisher bekannt gewordenen Zähleranordnungen werden
durch die vorliegende Erfindung vermieden, die außerdem noch den Vorzug hat, die
Messung der Wirk-und Blindleistung nicht nur in Drehstrom-, sondern auch in einphasigen
Wechselstromanlagen zu ermöglichen.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in einem Elektrizitätszähler
durch Spannung und Verbrauchsstrom ein und desselben Wechselstromkreises durch drei
stromdurchflossene Spulen drei zusammenwirkende Wechselfelder erzeugt werden, unter
denen sich mindestens eins befindet, das proportional dem Verbrauchsstrom ist, und
das gegenüber einem zweiten der Gebrauchsspannung proportionalem Feld durch erzeugte
Sekundärfelder oder durch geeignete Streufelder in der primären Kraft-
Linienbahn
so weit nach vorwärts oder rückwärts verschoben ist, daß diese beiden wirksamen
Felder um I8o° gegeneinander verschoben sind und so ein Drehmoment erzeugen, das
der Blindleistung proportional ist, während das dritte Feld um go ° gegen eint s
der beiden erstgenannten Felder verschoben wird, so daß durch das Zusammenwirken
desselben ein Drehmoment entsteht, das proportional der Wirkleistung ist.
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Ein derartiger Zähler kann beispielsweiße in einfacher Weise dadurch
erhalten werden, daß man einem dreizinkigen Spannungskern Ic (Abb. Ia der Zeichnung)
auf der anderen Seite der Ankerscheibe 2 einen vierzinkigen Stromtriebkern 3 gegenüberstellt.
Die Zinken 4 und 5 des Hauptstromtriebkernes tragen die Hauptstromspulen für dun
Wirkverbrauchszähler, die Zinken 6 und 7, den ersteren entgegenwirkend - also im
Wickelungssinn um I8o° gewendet -, diejenigen für den Blindverbrauchszähler. Auf
diesen Zinken mögen zwei Kurzschlußringe 8 und g angebracht seit, die die Ursache
von Sekundärfeldern werden, welche das wirksame Hauptstromfeld #Js des Blindverbrauchstriebsystems
gegen das primäre Hauptstromfeld #'Js um go° verschieben. Wird nun das wirksame
Spannungsfeld #E um go° gegen die Spannung E verschoben -z. B. durch einen Kurzschlußring
Io um den mittleren Zinken des Nebenschlußtriebkernes-, so ist das wirksame Hauptstromfeld
#Js um I8o° gegen das wirksame Spannungsfeld #E verschoben; durch Zusammenwirken
dieser beiden Felder entsteht also ein der Blindleistung proportionales Drehmoment,
während das zweite wirksame Hauptstromfeld #Jc, wenn es bei induktionsfreier Belastung
in Phase mit der Spannung E gehalten wird, durch Zusammenwirken mit dem wirksamen
gemeinschaftlichen Spannungsfeld #E ein der Wirkleistung proportionales Drehmoment
aufweist.
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Die Kurzschlußringe 8 und g können noch durch solche an anderer Stelle
des Kraftlinienw eges vom Blindverbrauchsstromtriebkern angebrachte Ringe in ihrer
Wirkung unterstützt werden, z. B. durch solche II und I2 auf den beiden äußeren
Schenkeln des Nebenschlußtriebkernes. Dies kann allerdings nur dann geschehen, wenn
dafür gesorgt ist, daß die Kraftlinien des Wirkvertrauchshauptstromfeldes diese
Kurzschlußringe nicht durchsetzen, damit dieses Feld nicht ebenfalls um einen bestimmten
Winkel gegen den Verbrauchsstrom verschoben wird. Die genaue Abgleichung der notwendigen
Verschiebung kann durch Änderung des Ohmschen oder des induktiven Widerstandes der
Kurzschlußringe erfolgen.
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In Abb.2 ist das Vektordiagramm eines derartigen Zählers bei induktionsfreier
Belastung dargestellt. Das wirksame Nebenschlußfeld #E folgt um genau go° der Klemmenspannung.
Das in den äußersten Zinken 6 und 7 des unteren Triebkernes durch die Hauptstromwicklung
gebildete Feld #'Js ist gegenüber dem Feld #Jc, das durch die auf den Zinken 4 und
5 angeordnete Hauptstromwicklung gebildet wird, um I8o° versetzt. Das Feld #Jc ist
in Phase mit demn Verbrauchsstrom J angenommen. Der vom Feld #'Js in den Kurzschlußringen
8, g, II und I2 induzierte Strom erzeugt ein Feld #s, das um etwas weniger als I8o
° geben das induzierende Feld #'Js zeitlich verzögert ist. Die Resultierende #Js
der beiden Felder #'Js und #s ist um I8o° gegen das wirksame Nebenschlußfeld und
um go° gegen das induzierende Feld #'Js verschoben. Da es nicht unerhebliche Sshwierigkeiten
macht, durch die Sekundärfelder #s eine zeitliche Verzög erung von go ° zu erreichen
und gleichzeitig das resultierende Feld in ausreichender Stärke auszubilden, ist
es zweckmäßig, das wirksame Nebenanschlußfeld #E nicht um go°, sondern nur um (go
° - a) gegen die Klemmspannung E rückwärts zu verschieben; es braucht dann das Feld
#Js gegen das Feld #'Js ebenfalls nur um go ° - a zeitlich verzögert zu werden,
um das Feld #Js um I8o ° gegen das Feld #E zu verschieben, Beim Vergleich der Vektorendiagramme
(Abb. 2 und Abb. 3 der Zeichnung) ist auch zu erkennen, daß bei gleichbleibenden
Feldgrößen #'Js und #s das resultierende Feld #Js durch die veränderte Anordnung
größer geworden ist. Durch das Zusammenwirken der beiden Felder rDE und cbJ, wird
ein der Blindleistung proportionales-Drehmoment her- ; vorgerufen. Damit dasjenige,
welches durch das Zusammenwirken der Felder cDE und cDJ, entsteht, proportional
der Wirkleistung wird, muß das wirksame Hauptstromfeld cD J, bei induktionsfreier
Last um den Winkel ce gegen den Verbrauchsstrom J, verschoben werden. Dies kann
z. B. durch ein magnetisches u förmiges Schirmblech (Abb. i a und ib) erreicht werden,
das im Joch des Haupttriebkerns befestigt ist, und dessen freie Enden zwischen Triebscheibe
und den Polen 4 und 5 des Hauptstromtriebkems derart liegen, daß sie die Pole nicht
berühren, aber die Polflächen ganz oder teilweise überdecken. Bringt man auf den
beiden Schenkeln des Schirmbleches verschiebbare Kurzschlußringe 13 und 14 an, so
läßt sich durch Verstellung dieser Ringe die gewünschte Verschiebung der Felder
um Winkel a bequem einstellen.
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Abb. 4 und 5 zeigen die Vektorendiagramme, wenn der Strom J gegen
die Gebrauchsspannung zurückbleibt oder voreilt.
Bei nacheilendem
Strom ist das Drehmoment eines derartigen Zählers D = C1 #L ₧ Et' Jc sin
(oo° - #) + C2 #E #Js sin (I So' - y), wobei Cl und C2 Konstanten darstellen und
# den Winkel der Verschiebung zwischen Spannung und Strom im Verbrauchsstromkreise.
Wird
gemacht, so ergibt sich das Drehmoment zu
Die in der Zeit tz - t1 registrierte Energie ist somit gegeben zu
wobei K eine Konstante ist.
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Bei voreilendem Strom ist das Drehmoment des Zählers D = C1 d DE ₧
#Jc sin (9o ° + #) + C2 # E #Js sin (I8o°+ #) = C1 # E b Jc cos c# + C2 # E #Js
- sin c# . Wird wieder
gemacht, so ergibt das Drehmoment zu
Die in der Zeit t2 - t1 registrierte Energie ist somit gegeben zu
d. 1h. die Blindleistung wird bei voreilendem Strom von der Wirkleistung in Abzug
gebracht, hei nacheilendem Strom zu dieser hinzugezählt.
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Die Einstellung eines derartigen Zählers erfolgt, indem man zunächst
diejenigen Spulen für sich unter Strom setzt, welche das Drehmoment D=C1₧E₧J₧cos
@ geben, sodann diejenigen Spulen, welche das Drehmoment
bedingen. Um die Kosten, welche den Elektrizitäts werken aus dem wattlosen Strom
erwachsen in das richtige Verhältnis zur Wattleistung zu bringen, muß
gemacht werden. Dies kann erreicht werden durch entsprechende Wahl der Amperewin
dungszahlen der beiden vom Verbrauchsstron durchflossenen Spulen, sei es z. B. durch
ver schiedene Windungszahlen dieser Spulen oder durch Parallelschaltung eines induktionsfreier
Widerstandes I5 (Abb. I a) zu den Haupt stromspulen des Blindleistungstriebsystems.
Die genaue Abgleichung kann durch stufenweise Änderung des induktionsfreien Widerstanden
oder durch Abgleichung des magnetischen Widerstandes des Kraftlinicnweges vom Blindverbrauchstriebsystem
ausgeführt werden.
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Macht man beispielsweise das Hauptstromfeld des Blindverbrauchtriebsystems
so stark, daß dessen Drehmoment gleich 2o Prozent vom Drehmoment des Wirkleistungstriebsystems
ist, so stellt der Linienzug 2a (Abb. 6) das Drehmoment des Blindleistungszählers
bei nacheilendem Strom dar, der Linienzug 2b das Drehmoment bei voreilendem Strom.
Die Linienzüge Ia und Ib stellen die korrespondierenden Drehmomente des Wirkleistungszählers
dar. Das resultierende Drehmoment ' für nacheilenden Strom wird durch den Linienzug
3a, für voreilenden Strom durch den Linienzug 3 b dargestellt.
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Man erkennt, daß bei nacheilendtm Strom der Stromverbraucher mehr
zu bezahlen hat, als der reinen Wattleistung entspricht, bei voreilendem Strom hingegen
weniger.
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Statt ein Spannungsfeld mit zwei Hauptstromfeldern kann man auch -
mit -dem gleichen Ergebnis - zwei Spannungsfelder mit einem Hauptstromfeld zusammen
wirken lassen.
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i Ein solcher Zähler kann z. B. in einfacher Weise dadurch geschaffen
werden, daß man einen dreizinkigen Spannungskern i (Abb- 7) einem dreizinkigen Triebkern
2 gegenüberstellt, der auf den beiden äußeren Zinken 3 und '4. vom Verbrauchsstrom
durchflossene Spulen und auf dem mittleren Zinken 5 eine zweite Spannungsspule trägt,
von der zunächst angenommen sein möge, daß sie von der gleichen Spannung erregt
werde wie die Spule des Spannungskernes i. Wird nun das Hauptstromfeld durch vom
Verbrauchsstrom erzeugte Sekundärfelder so weit rückwärts verschoben, daß cs bei
induktionsfreier Last um i8o' gegen das eine der beiden Nebenschlußfelder verschoben
ist, worauf das zweite wirksame Nebenschlußfeld um go ° gegen das resultierende
Hauptstromfeld rückwärts verschoben
wird, so hat man wiederum einen
Zähler, der die in der Zeit t2 -t1 verbrauchte Energie
mißt, Abb. 8 zeigt das zugehörige Vektordiagramm. Hierin ist E die Klemmspannung,
welche an zwei Spannungsspulen gelegt ist, die, wenn sie auf der gleichen Seite
der Ankerscheibe lägen, entgegengesetzten Wicklungssinn haben müßten. Man kann sich
daher imn Vektorendiagramm vorstellen, daß die eine Spule von der Spannung E, die
zweite von der um r8o° versetzten Spannung - E erregt wird. Die von der Spannung
- E erregte Spule besitze nur geringe Selbstinduktion, so daß das zugehörige Feld
@ E1 nur unm einen kleinen Winkel u gegen die erzeugende Spannung zeitlich verzögert
ist. x 'J stellt den Vektor des vom Verbrauchsstrom j erregten Feldes dar, der bei
induktionsfreier Last in Phase mit dem Strome j ist. Werden nun von dem Felde des
Verbrauchsstromes Sekundärströme hervorgerufen, deren Feld = @s ist, so kann mau
das resultierende Feld @ j um I8o ° gegen das Feld @ El verschieben, so daß durch
das Zusammenwirken dieser beiden Felder ein der Blindleistung proportionales Drehmoment
entsteht. Verschiebt man nun das von der Spannung E erregte Feld @E2 um einen Winkel
go° + u gegen die erregende Spannung, so entsteht durch das Zusammenwirken der beiden
Felder d j und @ E2 noch ein der Wirkleistung proportionales Drehmoment. Soll der
Eigenverbrauch der von der Spannung E erregten Spule nicht zu groß werden, so muß
dieser Nebenschlußspule eine nicht zu vernachlässigende Selbstinduktion gegeben
werden. Hierdurch erfährt aber der Winkel, un den das Feld @ El gegen - E verschoben
ist, eine bedeutende Vergrößerung, so das es nicht unbedeutende Schwierigkeiten
macht, das Feld @ E2 der zweiten Spule um go°+ a gegen die erzeugende Spannung E
zu verschieben. Außerdem wird durch die aufzuwendenden Mittel der Feldverschiebung
der Eigenverbrauch der Spule 2 nicht unwesentlich erhöht.
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Dieser Nachteil läßt sich vermeiden, wenn man die auf dem mittleren
Zinken 5 des Triebkernes 2 liegende Spule nicht an die Gebrauchsspannung legt, sondern
an die sekundäre Wicklung eines Transformators, dessen Primärspule an der Netzspannung
liegt. Man kann auch das Eisen des das Feld @ El bildenden Nebenschlußtriebkernes
I als Transformatorkern benutzen, wobei die das Feld @ El induzierende Spule die
Primärwicklung des Transformators bildet, wie dies in Abb. 7 zur Darstellung gebracht
ist. Das zugehörige Vektorendiagramm zeigt die Abb. o. Hierin ist wieder E der Vektor
der Gebrauchspannung, @ E2 der Vektor des Transformatorenspannungsfeldes, vder um
nicht ganz I8o° gegen die Primärspannung rückwärts verschoben ist. Ist die Abweichung
von I8o° z. B. gleich u, so wird nunmehr das dem Verbrauchsstrom proportionale Feld
@ j um den Winkel v gegen die Klemmspannung E vorwärts und hierauf das zweite wirksame
Nebenschlußfeld um go° - u gegen E nach rückwärts verschoben.
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Durch Zusammenwirken der Leiden Felder @ j und @5 E2 erhält man ein
der Blindleistung proportionales Drehmoment, und durch Zusammenwirken der Felder
@ j und @ El ein solches, das der Wirkleistung proportional ist.
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Erachtet man es für erforderlich, die Blindleistung bei induktiver
Belastung anders zu bewerten als diejenige bei kapazitiver Belastung, so wird inan
zwei Zähler beschriebener Art anwenden, von denen der eine für die Zeit der induktiven
Last mißt, bei kapazitiver Last hingegen gesperrt wird, während der zweite für die
Zeit der induktiven Last zu sperren ist. Soll die Blindleistung bei voreilendem
Strom weniger bewertet werden als die bei induktiver Last, so wird man, wenn die
Drehmomente der Wirkverbrauchstriebsysteme beider Zähler gleich groß sind, das Drehmoment
des Blindverbrauchstriebsysteins beim Zähler für die Zeitperiode ka ; pazitiver
Last kleiner machen als das des Zählers für die induktive Last.