DE419926C

DE419926C - Device for measuring the apparent load and consumption of single and multi-phase alternating current

Info

Publication number: DE419926C
Application number: DEH95796D
Authority: DE
Original assignee: GUSTAV HOMMEL DR ING
Current assignee: GUSTAV HOMMEL DR ING
Priority date: 1924-01-20
Filing date: 1924-01-20
Publication date: 1925-10-14

Description

Einrichtung zur Messung der Scheinlast und des Scheinverbrauches bei Ein- und Mehrphasen-Wechselstrom. Bei den Bestrebungen zur Verbesserung der Tarife für die Abgabe elektrischer Arbeit in Wechsel- und Drehstromnetzen hat sich allgemein die Auffassung durchgesetzt, daß neben dein Wirkverhrauch auch der Lei-:tungsfaktor berücksichtigt werden inuß. L:5 ist bekannt,- daß zu diesem Zweck vielfach Blindvcrhrauchszähler angewendet @;-crcic,i, deren Angaben in Verbindung mit denjenigen eines Wirkverbrauchsmessers einen Rückschluß auf die mittlere Phasenverschiebung der betrettenden Anlage gestatten. Einfacher und zweckmäßiger für die Ermittlung der notwendigen Berechnungsunterlagen ist zweifellos die Verwendung von Meßgeräten, welche die Scheinlast bzw. den Scheinverbrauch anzeigen, da diese Größen in Verbilidung mit der Wirkleistung bzw. dein Wirkverbrauch unmittelbar den Leistungsfaktor liefern und «"eil bei Wechselstrom die maximale Scheinlast überhaupt den Maßstab für die Beines= sung der 'Maschinen- und Leitungsanlage darstellt.Device for measuring the apparent load and consumption Single and multi-phase alternating current. In efforts to improve tariffs for the delivery of electrical work in alternating and three-phase networks has become general the view prevailed that in addition to your active incense also the conduction factor must be taken into account. L: 5 is known - that blind incense meters are often used for this purpose applied @; - crcic, i, their details in connection with those of an active consumption meter allow conclusions to be drawn about the mean phase shift of the entering system. Easier and more useful for determining the necessary calculation documents is undoubtedly the use of measuring devices that measure the apparent load or consumption Show, since these quantities are related to the active power or your active consumption directly provide the power factor and «" eil for alternating current the maximum apparent load in general the yardstick for the leg = solution of the 'machine and pipe system.

Ein Teil der bisher bekannt gewordenen Konstruktionen von solchen Meßgeräten löst die Aufgabe in der Weise, daß den messenden Svstemen eine besondere innere Phasenverschiebung gegeben wird (Patentsclirift285308, 285309, 377I'-8)- Diese Instrumente zeigen dann innerhalb gewisser Grenzen des Phasenverschiebungswinkels die Scheinlast bzw. den Scheinverbrauch mehr oder weniger genau an. Bei einer anderen Einrichtung wird die Phasenverschiebung im Meßstromkreis durch einen Phasenregler beseitigt und so die Messung des Scheinverbrauches mit einem normalen Wattstundenzähler ermöglicht (Patentschrift 3d.7702). Noch ein anderer Vorschlag (Patentschrift 352790) geht dahin, die Wirk-und die Blindleistung für sich zu messen und diese Größen sodann vektoriell zu addieren, um die Scheinleistung zu erhalten.Some of the previously known designs of such measuring devices solve the problem in such a way that the measuring systems are given a special internal phase shift (Patent Clirift 285308, 285309, 377I'-8) . more or less exactly the bill consumption. In another device, the phase shift in the measuring circuit is eliminated by a phase regulator, thus making it possible to measure the apparent consumption with a normal watt-hour meter (patent specification 3d.7702). Another suggestion (patent specification 352790) is to measure the active and reactive power separately and then add these values vectorially in order to obtain the apparent power.

Von diesen Einrichtungen unterscheidet sich die Einrichtung, welche den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bildet, dadurch, daß sie die meßtechnischen Ungenauigkeiten und Fehlerquellen der vorstehend erwähnten Anordnungen sowie die Umständlichkeit einer vektoriellen Addition vermeidet. Es wird dabei von einer Gleichung für die Scheinlast ausgegangen, die für alle Phasenverschiebungswinkel streng richtig ist. Die Ströme und Spannungen, welche den messenden Systemen zugeführt.werden, haben gegeneinander die gleiche Phasenverschiebung wie in dem Stromkreise, dessen Scheinlast oder Scheinverbrauch bestimmt werden soll, und die Drehmomente der verwendeten Meßgeräte sind Teilbeträgen der Scheinlast von solcher Größe proportional, daß ihre algebraische Summe dem Gesamtwert der, zu messenden Scheinlast bzw. dem Scheinverbrauch entspricht.From these institutions, the institution differs which one forms the subject of the present invention, in that it is the metrological Inaccuracies and sources of error in the above-mentioned arrangements as well as the Avoids the inconvenience of vector addition. It is doing this by an equation for the apparent load assumed that are strictly correct for all phase shift angles is. The currents and voltages that are fed to the measuring systems, have the same phase shift in relation to each other as in the circuit whose Apparent load or consumption should be determined and the torques used Measuring instruments are proportional to partial amounts of the apparent load of such magnitude that their algebraic sum of the total value of the apparent load to be measured or the apparent consumption is equivalent to.

Die Einrichtung beruht auf der Erkenntnis, daß sich beispielsweise die Scheinlast bei Wechselstrom: (I) NI -E-J finit Hinzunahme des jeweiligen Phasenverschiebungswinkels cy auch in cler Forin schreiben läßt: (2) NS - E - J - (cos 2Q7 -r- siil 2 (p) oder ' (3) Ns-E-J-cos299+E-J-siti2cP.The device is based on the knowledge that, for example, the apparent load with alternating current: (I) NI -EJ finite addition of the respective phase shift angle cy can also be written in the form: (2) NS - E - J - (cos 2Q7 -r- siil 2 (p) or '(3) Ns-EJ-cos299 + EJ-siti2cP.

In dieser Gleichurig 3 ist die Scheinleistung il' zwei Sununandcn zerlegt, von denen der erste durch einen Wirk-, der zweite durch einen Blindleistungsmesser bestimmt werden kann, wenn diesen Instrumenten Ströme J, bzw. 1s oder Spannungen E, bzw. Es von solcher Größe zugeführt werden, daß die Gleichungen: (d.) J, - J - cos c9 bzw. J, - J # sin T oder .E, - E - cos T bzw. ES - E - sin 9p bestehen.In this equation 3 the apparent power is equal to two Sununands disassembled, of which the first by an active power meter, the second by a reactive power meter can be determined if these instruments have currents J, or 1s or voltages E or Es of such a size that the equations: (d.) J, - J - cos c9 or J, - J # sin T or .E, - E - cos T or ES - E - sin 9p exist.

Die in Gleichung .4 und 5 ausgesprochenen Bedingungen verlangen also eine Zerlegung des Stromes J oder der Spannung E in zwei selbständige Teile, von denen jeder mit der entsprechenden Größe des Meßstromkreises proportional und phasengleich und außerdem der eine im Verhältnis des Cosinus, der andere im Verhältnis des Sinus des jeweiligen Phasenverschiebungswinkels c) veränderlich ist. Eine derartige Zerlegung des Stromes oder' der Spannung kann durch Transformierung in einem. 'Wandler erfolgen, bei dein die Windungsebenen des Primär- und Sekundärstromkreises gegeneinander verdrehbar sind und der letztere aus zwei. elektrisch voneinander getrennten Wicklungen gleicher Windungszahl besteht, deren Ebenen sich rechtwinklig schneiden.The conditions expressed in equations .4 and 5 therefore require a decomposition of the current J or the voltage E into two independent parts, of each of which is proportional and in phase with the corresponding size of the measuring circuit and one in proportion to the cosine, the other in proportion to the sine of the respective phase shift angle c) is variable. Such a decomposition of the current or the voltage can be transformed into one. 'Converter takes place, at your the winding levels of the primary and secondary circuit can be rotated against each other are and the latter of two. electrically separated windings of the same There is a number of turns whose planes intersect at right angles.

Durchfließt z. B. der Strom J die Primärwicklung des Wandlers, so entsteht ein pulsierendes Wechselfeld, das dem jeweiligen Betrage von J proportional ist (Stromwandler). Die " elektromotorischen Kräfte c, und es, welche dieses Feld in den beiden Sekundärwicklungen induziert sind ihrer Größe nach - abgesehen von den sonstigen aus der allgemeinen Induktionsgleichung bekannten Verhältniswerten - noch abhängig von den Winkeln, die die Ebenen der Sekundärwicklungen mit der Windungsebene der Primärwicklung bilden. Wird einer dieser Winkel niit a bezeichnet, so gilt: (Ga) e, - C, - J - cos a und für die zweite Wicklung: (6l>) es - Cl - J - cos (a -(- 90) -+C,-J-silla. Bei entsprechendem Anschluß von zwei unter sich gleichen und uüverznderlichen Widerständen an die Klemmen- der @el;ttndarwicl;lungen entstehen somit zwei Striinie, die durch die Gleichungen: (7) J,= C -J -cos a und J,'== C-J-sin « darstellbar sind.Flows through z. If, for example, the current J is the primary winding of the converter, a pulsating alternating field is created which is proportional to the respective amount of J (current converter). The "electromotive forces c" and "es" which induce this field in the two secondary windings are dependent on their magnitude - apart from the other ratio values known from the general induction equation - still dependent on the angles that the planes of the secondary windings form with the plane of the windings of the primary winding If one of these angles is denoted by a, the following applies: (Ga) e, - C, - J - cos a and for the second winding: (6l>) es - Cl - J - cos (a - (- 90) - + C, -J-silla. If two equal and irreversible resistances are connected to the terminals of the @el; ttndarwicl; lungs, two lines are created which are represented by the equations: (7) J, = C -J - cos a and J, '== CJ-sin «can be represented.

Solche Widerstände wie die eben erwähnten bilden auch die Stromspulen eines Wirk-und eines Bliildleistungsniessers, die für gleiche \'ennstromst:irl;e gebaut sind. Vereinigt iuan also die Meßwerke dieser Instrumente auf einer gemeinsamen Achse, so entsteht bei der Anwendung eines derartigen Doppelineßgerätes in Verbindung mit (lein Wandler der Ausschlag: (8) :1-C#E#J# (cos cc cos q) -f- sin a sin (p), der seinen Höchstwert erreicht, wenn der räumlicheWinkel u gleich dein Pha,eiiwinlcelcp im Meßstromkreis ist. In. diesem Falle geht dann die rechte Seite voii Gleichung 8 bis auf den Festwert C in den Ausdruck über, welcher nach Gleichung z der zu messenden Scheinlast ATS entspricht. Um daher diese lIessung nach dem vorstehenden Verfahren auszuführen, muß die bewegliche Wicklung des Stromwandlers so weit gedreht «-erden, bis der Ausschlag des Meßgerätes seinen größten Betrag erreicht hat.Resistances such as those just mentioned are also formed by the current coils of an active and a visual power meter, which are built for the same rated currents. If iuan combines the measuring mechanisms of these instruments on a common axis, then when using such a double measuring device in connection with (lein converter the deflection: (8) : 1-C # E # J # (cos cc cos q) -f-sin a sin (p), which reaches its maximum value when the spatial angle u is equal to the Pha, eiiwinlcelcp in the measuring circuit corresponds to the apparent load ATS to be measured. In order to carry out this measurement according to the above procedure, the moving winding of the current transformer must be rotated until the deflection of the measuring device has reached its greatest value.

Die im vorstehenden beschriebene Zerlegung des Stromes ist in derselben Weise auch für die Spannung ausführbar, wenn die Wicklungen des Wandlers dementsprechend bemessen werden. Es ergibt sich ferner, daß dieser Apparat bei gleichen Bürden in den beiden Sekundärwicklungen sich genau so verhält wie ein Strom- bzw. Spannungswandler der bekannten normalen Bauart, weshalb er in der Folge kurz als Drehwandler bezeichnet wird.The decomposition of the current described above is in the same Way also feasible for the voltage, if the windings of the converter accordingly be measured. It can also be seen that this apparatus with the same burdens in the two secondary windings behave in exactly the same way as a current or voltage converter of the well-known normal design, which is why it is referred to as rotary converter for short in the following will.

Die bisherigen Ausführungen über die lIesung der Scheinlast gelten sinngemäß auch für die Bestimmung des Scheinverbrauches, wobei an die Stelle der Wirk- und ßlindleistungsinesser Zähler treten. Für Mehrphasenstrom kommt unter Uniständen die wiederholte Anwendung der Apparatur in Frage, je nach der Zahl der Meßstromkreise, welche bei diesen StroniaTten zur- genauen Scheinlast- (Verbrauchs-) Messung erforderlich sind, sofern nicht die Symmetrie der Belastung eine Vereinfachung gestattet.The previous statements about reading the apparent load apply correspondingly also for the determination of the bill consumption, whereby the Active and reactive power counters come up. For multiphase electricity comes under unistalls the repeated use of the apparatus in question, depending on the number of measuring circuits, which are required for these StroniaTten for precise apparent load (consumption) measurement are, unless the symmetry of the load permits a simplification.

Während die zeitweise Feststellung der Scheinlast mit Zeigermeßgeräten durch Betätib fing des Drehwandlers von Hand ausgeführt werden kann, erfordert ihre Messung finit schreibenden Instrumenten sowie die Bestimmung des Scheinverbrauches noch eine Vorrichtung, welche die Einstellung des Wandlers selbsttätig bewirkt-, so daß der räumliche Winkel n. zwischen den primären und sekundären Windungsebenen dauernd dem jeweiligen I'Aasenverschiebungswinkel im 'L\feßstromkreise entspricht. Für diese Fälle kommt als Steuerinstrument beispielsweise ein -Leistungsfaktor- oder Phasenwinl:elnie,.er in Frage, der koachsial mit dem be--tveglichcn Teil des Drehwandlers angeordnet wird. Ist die Dichtkraft des Steuergerätes nicht ausreichend, uni die Drehung der Wandlerspulen unmittelbar vorzunehmen, so wird diese Drehbewegung einem Hilfsmotor übertragen, dessen Lauf der Phaseninesscr steuert.During the temporary determination of the apparent load with pointer measuring devices can be carried out by hand by actuating the rotary converter, their requires Measurement of finite writing instruments as well as the determination of the apparent consumption another device that automatically adjusts the converter, so that the spatial angle n. between the primary and secondary winding planes permanently corresponds to the respective phase displacement angle in the circuit. For these cases, for example, a -performance factor- is used as a control instrument. or phase angle: elnie, .he in question, the coaxial with the relevant part of the Rotary converter is arranged. If the sealing force of the control unit is not sufficient, if the rotation of the transducer coils is to be carried out immediately, this rotary movement becomes transmitted to an auxiliary motor, the course of which is controlled by the phasingcr.

Zu diesem Zweck ist an (lern Wandler ein Träger mit zwei Kontakten so angeordnet, daß er die Drehung der beweglichen Wicklung mitmacht. Bei Übereinstimmung des räunnlichen Winkels«. und des Phasenwinkels (p steht der Zeiger des Steuerinstrumentes zwischen diesen beiden Kontakten, die daher offen sind. Ändert sich der Leistungsfaktor des Netzes, so drückt der Zeiger des Phaseninessers, der den neuen Verschiebungswinkel T' richtig angeben will, auf einen dieser Kontakte und schließt dadurch den Stromkreis des Hilfsmotors, der nun die bewegliche Wandlerwicklung so lange dreht, bis dieÜbereinstimmung der beiden Winkel ä und g' wieder herbeigeführt ist. In diesem Augenblick wird der vorher vom Zeiger des Phasenmessers betätigte Kontakt wieder freigegeben, der Stromkreis des Motors unterbrochen und dieser selbst stillgesetzt. Die Leitung des Motorstromkreises ist so anzuordnen, daß der lUotor verschiedene Drehrichtung annimiTit, je nachdem der Zeiger des Phasenmessers an den einen . oder anderen Kontakt anlegt.For this purpose, the transducer is a carrier with two contacts arranged so that it joins the rotation of the movable winding. If there is a match of the spatial angle ". and the phase angle (p is the pointer of the control instrument between these two contacts, which are therefore open. If the power factor changes of the network, so the pointer of the phase selector, which expresses the new displacement angle T 'wants to indicate correctly on one of these contacts and thereby closes the circuit of the auxiliary motor, which now rotates the movable transformer winding until they match the two angles ä and g 'is brought about again. At that moment the The contact previously activated by the phaser pointer is released again, the circuit the motor is interrupted and this stopped itself. The line of the motor circuit is to be arranged in such a way that the lUotor can rotate in different directions, depending on the situation the phaser pointer to one of them. or create another contact.

In Abb. i der beiliegenden Zeichnung ist die Schaltung für eine Scheinverbrauchsmessung schematisch dargestellt. Abb. 2 zeigt eine Ausführungsform für einen Strorndrehwandler im Grundriß und Abb. 3 im Schnitt nach der Mittellinie A-B.In Fig. I of the accompanying drawing is the circuit for an apparent consumption measurement shown schematically. Fig. 2 shows an embodiment for a current rotary converter in plan and Fig. 3 in section along the center line A-B.

Für das Schaltungsschema Abb. i ist als Ausführungsbeispiel die Messung des Scheinverbrauches bei Einphasen-Wechselstrom gewählt. Ein Wirkverbrauchszähler i und ein Blindverbrauchszähler 2 sind dadurch zu einem Doppelmeßgerät vereinigt, daß ihre Ankerscheiben 3 auf der gemeinsamen Achse 4 sitzen, welche das Zählwerk antreibt. Die Stromspule 5 des Wirkverbrauchszählers ist mit der Sekundärwicklung 6 und die Stromspule 7 des Blindverbrauchszählers mit der Sekundärwicklung 8 des Drehwandlers verbunden. Die Windungsebenen der Wicklungen 6 und 8 stehen aufeinander senkrecht. Bildet also die Windungsebene der Wicklung 6 mit derjenigen der Primärwicklung g des Drehwandlers den Winkel p, so ist die EMK dieser Sekundärwicklung 6 und damit auch der Strom in der Stromspule 6 des Wirkverbrauchszählers proportional cos q:. Ebenso ist die EMK der Wicklung 8 und der Strom in Spule 7 des Blindverbrauchszählers proportional sin #q. Beide Sekundärwicklungen sind um die Achse iö drehbar und werden durch den koachsial zum Drehwandler angeordneten Phasenmesser i i mittelbar oder unmittelbar in die (lein jeweiligen Leistungsfaktor der Anlage entsprechende Winkellage (p gebracht. Dadurch wird erreicht, daß der Wirkverbrauchszähler i den Teilbetrag des Scheinverbrauches E - J - cos-2 - t und der Blindverbrauchs= zä liler 2 den Festbetrag: E - J - sin= - c9 - t des Scheinverbrauches mißt. Diese Angaben der beiden Zähler summieren sich infolge der gemeinsamen Achse ihrer Ankerscheiben zu dem gesamten Scheinverbrauch E - J - t des Laststromverbrauches nach der Gleichung: -(E-J-cos=q7+E-J-sin=#9) -t -E-J-t-@@ S- t (kVAla).. Der Sekundärstrom des Strbmwandlers 12, der in die Leitung 13 geschaltet ist, durchfließt hintereinander die Primärwicklung 9 des Drehwandlers und die Stromspule 1d. des Phasenmessers i i. Dessen Spannungsspule 15 sowie die Spannungsspulen i6 und 17 der beiden Zählersy steme werden von dem Spannungswandler i8 gespeist, der an der Netzspannung liegt.For the circuit diagram Fig. I, the measurement of the apparent consumption with single-phase alternating current is selected as an exemplary embodiment. An active consumption meter i and a reactive consumption meter 2 are combined to form a double measuring device in that their armature disks 3 sit on the common axis 4 which drives the counter. The current coil 5 of the active consumption meter is connected to the secondary winding 6 and the current coil 7 of the reactive consumption meter is connected to the secondary winding 8 of the rotary converter. The winding planes of the windings 6 and 8 are perpendicular to one another. If the winding plane of the winding 6 forms the angle p with that of the primary winding g of the rotary converter, the EMF of this secondary winding 6 and thus also the current in the current coil 6 of the active consumption meter is proportional to cos q :. Likewise, the EMF of winding 8 and the current in coil 7 of the reactive consumption meter is proportional to sin #q. Both secondary windings are about the axis IÖ rotatably and through the coaxially arranged to the rotation conversion phase meter ii directly or indirectly into the (lein respective power factor of the installation corresponding angular position brought (p is thereby achieved that the active energy i the partial amount of the virtual consumption E -. J - cos 2 - t and the reactive consumption = zä liler 2 the fixed amount: e - J - sin = - c9 - t of the apparent consumption measuring These details of the two counters add up due to the common axis of its armature disks to the total number consumption e - J. - t of the load current consumption according to the equation: - (EJ-cos = q7 + EJ-sin = # 9) -t -EJt - @@ S- t (kVAla) is, flows through the primary winding 9 of the rotary converter and the current coil 1d. of the phase meter i i, one behind the other fed, which is connected to the mains voltage.

Abb. 2 und 3 zeigen die aktiven Konstruktionsteile eines Stromdrehwandlers, der als Manteltype entworfen ist und bei dem die Primärwicklung 9 fest und die Sekundärwicklungen 6 und 8 auf einem drehbaren Anker ig beweglich angeordnet sind. Der Ankerkern ig und der Eisenkörper 2o sind in der üblichen Weise aus Dvnamoblechen zusammengesetzt. Die im Schnitt dargestellte Primärwicklung g umgibt den Anker auf dem kürzesten Wege und ist teilweise in den Eisenkörper eingebettet. Die Sekundärwicklungen 6 und 8 auf dem Anker ig sind in zwölf 'Tuten untergebracht, so daß sich je Wicklung eine Durchmesser- und .zwei Sehnenspulen ergeben, deren Ebenen sich rechtwinklig schneiden.Fig. 2 and 3 show the active construction parts of a current transformer, which is designed as a sheath type and in which the primary winding 9 is fixed and the secondary windings 6 and 8 are movably arranged on a rotatable armature ig. The anchor core ig and the iron body 2o are composed of Dvnamo sheets in the usual way. The primary winding g shown in section surrounds the armature on the shortest Paths and is partially embedded in the iron body. The secondary windings 6 and 8 on the anchor ig are housed in twelve 'bags, so that each winding one diameter coil and two tendon coils, the planes of which are at right angles cut.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for 'measuring the apparent load and the apparent consumption of single and multi-phase alternating current by taking two related' measurements in each of the relevant measuring circuits with an active and reactive power (consumption) meter, which are measured by a geineinsaine The axis of rotation are combined to form a measuring device, characterized in that a transformer (rotary converter) is provided, through which either the in-phase with the load current or the in-phase with the voltage in the measuring circuits, which is fed to the active power (consumption) meter , according to their magnitude in the ratio of the cosine and the current or voltage, which in the same way of the. Reactive power (consumption) meter receives, in the ratio of the sine of the respective phase angle in the measuring circuit are variable, whereby, if this phase angle is designated with <p, the information of the one measuring system to the partial amount of the apparent haste: E - J - cosz 99 or the apparent consumption: E - J - cos' q) t and the details of the, other system such partial amounts E - J sing 99 or E - J - sing p - t are directly proportional and their algebraic sum of the by the equation EJ -cos = q9 + EJ-sin'p-EJ shown apparent load bz`v. corresponds to the apparent consumption: (EJ-coslq) + EJ-sin'q9) -t = EJ-1 in the measuring circuit up to a fixed ratio value. -2. Device according to claim i, characterized in that the winding planes of the primary and secondary windings of the transformer (rotary converter) are mutually adjustable by any angle and the latter consists of two identical, independent winding groups, the planes of which intersect at right angles, for the purpose of creating voltages for these secondary windings or currents that are proportional to the cosiiius and sine of the angle that one of the secondary winding planes forms with the winding plane of the primary winding at a constant primary voltage or constant primary current.