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Temperaturkompensation für elektrische Apparate, insbesondere für
elektrische Zähler, 1Keßinstrumente und Relais Die Erfindung bezieht sich auf eine
Temperaturkompensation für elektrische Apparate, insbesondere für Elektrizitätszähler,
Meßinstrumente und Relais. Besondere Bedeutung hat die Erfindung bei Induktionszählern
zur Kompensation der Temperaturfehler, die bei kleinem Leistungsfaktor auftreten.
Die Temperaturkompensation wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß in den
elektrischen Kreis eine Drossel eingeschaltet wird, deren Kern aus einem Material
mit temperaturabhängiger Permeabilität besteht.
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Das Wesen der Erfindung soll an Hand einiger Zeichnungen näher erläutert
werden. Abb. i stellt die Abhängigkeit der Permeabilität von der Temperatur für
ein Material dar, welches zum Aufbau des Kerns der Drossel Verwendung finden soll.
Abb.2 zeigt eine temperaturabhängige Drosselspule, die in Reihe mit einem Wechselstromkreis
liegt. Bei Abb. 3 ist die temperaturabhängige Drossel zu einem Widerstand parallel
geschaltet. Bei der Anordnung nach Abb. ¢ ist die Drossel als Transformator ausgebildet
und besitzt einen Kern aus einem Material, dessen Permeabilität mit wachsender Temperatur
abnimmt. Abb.5 zeigt eine Anordnung zur Kompensierung der Temperaturfehler bei einem
Induktionszähler, bei dem die temperaturabhängige Induktanz in Reihe mit der Kurzschlußwicklung
des Zählers geschaltet ist. Abb. 6 und 7 zeigen Vektordiagramme des Spannungsflusses
ohne und mit Kompensation.
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Die in Abb. i dargestellte Kurve, die die Permeabilität in Abhängigkeit
von der Temperatur darstellt, ist an einem Material aufgenommen, das im wesentlichen
einen linearen, negativen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität innerhalb weiter
Grenzen der Temperatur besitzt. Ein solches Material stellt z. B. eine Legierung
aus Kupfer, Nickel und einigen Prozent Eisen dar. Vorzugsweise soll eine-gießbare,
magnetische Legierung aus 68 Teilen Nickel, 3o Teilen Kupfer und z Teilen Eisen
Verwendung finden. Wenn eine derartige Legierung nach dem Gießen einer bestimmten
Wärmebehandlung ausgesetzt wird, so besitzt sie zwischen o und ioo° C einen annähernd
linearen, negativen Temperaturkoeffizienten der Permeabilität, wie es der Abb. i
entspricht.
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Bei der Anordnung nach Abb.2 stellt io ein Wechselstromspannungsrelais
dar. Die Wicklung dieses Relais besteht aus Kupfer oder einem anderen Material mit
'einem positiven Temperaturkoeffizienten für den Widerstand. Beim Steigen der Temperatur
steigt also der Widerstand -an, und der bei gleichbleibender Spannung durch die
Spule fließende Strom wird kleiner. Um diesen Temperaturfehler zu kompensieren,
wird eine temperaturabhängige
Induktanz in Reihe mit der Relaisspule
geschaltet. Die Induktanz besteht aus einer Wicklung ii, die auf einem geschlossenen
Eisenkern 12 angeordnet ist. Der Eisenkern ist aus einem Material mit negativem
Temperaturkoeffizienten der Permeabilität hergestellt und so angeordnet, daß er
ungefähr der gleichen Temperatur ausgesetzt ist wie -das Relais io. Wenn der Kern
12 eine Charakteristik besitzt, wie sie der Abb. i entspricht, so hat die Drossel
bei z. B. o ° C eine nennenswerte Induktivität, die linear mit zunehmender Temperatur
abnimmt, bis bei ungefähr ioo° C die Permeabilität der Drossel ungefähr gleich der
von Luft wird. Durch Veränderung der Windungszahl des induktiven Widerstandes kann
der Relaiskreis so abgeglichen werden, daß die Zunahme des Widerstandes durch die
Abnahme der Induktivität gerade kompensiert wird. Eine derartige Kompensation ist
in den praktisch vorkommenden Temperaturgrenzen erreichbar. Bei der Anordnung ist
vorausgesetzt, daß die Frequenz des Wechselstroms praktisch konstant bleibt. Es
ist selbstverständlich ohne weiteres möglich, auch eine Über- oder Unterkompensierung
der Temperaturänderungen vorzunehmen.
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In Abb. 3 ist mit 13 ein Wechselstromvoltmeter bezeichnet, das einen
Vorschaltwiderstand 14 besitzt. Wenn der Spannungsmesser und der Widerstand zusammen
einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands besitzen, ist das Meßinstrument
einem Temperaturfehler unterworfen. Um diesen zu kompensieren, wird die temperaturabhängige
Drossel ii, i2 einem Teil des Widerstandes parallel geschaltet. Dadurch kann erreicht
werden, daß der Strom durch das Instrument 13 unabhängig von Temperaturschwankungen
ist.
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Bei Abb. 4 ist der induktive Widerstand als temperaturabhängiger Transformator
ausgebildet. Mit 13 ist wie in Abb. 3 ein Spannungsmesser bezeichnet, dessen Wicklung
einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzt. 14 stellt den Kern des Transformators
dar, der aus dem Material mit temperaturabhängiger Permeabilität besteht. 15 ist
die Primärwicklung, 16 die Sekundärwicklung des Transformators. Die beiden Wicklungen
sind in Sparschaltung verbunden. Die der Netzspannung entgegenwirkende Sekundärspannung
wird bei steigender Temperatur kleiner, so daß durch geeignete Bemessung der Primär-
und Sekundärwindungen erreicht werden kann, daß die Zunahme des Widerstandes bei
steigender Temperatur gerade kompensiert wird. Die Primärwicklung des Transformators
besitzt bei dieser Anordnung einen sehr hohen Widerstand, so daß der Strom nicht
übermäßig ansteigt, wenn die Transformationswirkung bei hoher Temperatur kleiner
wird. Bei den in Abb. 2 bis 4 beschriebenen Anordnungen handelt es sich darum, den
Strom in einem einfachen Wechselstromkreis in Abhängigkeit von der Temperatur zu
verändern. Da eine veränderliche Induktivität Verwendung findet, wird selbstverständlich
auch der Phasenwinkel des Stromkreises verändert. Von dieser Eigenschaft soll bei
der Anordnung nach Abb. 5 Gebrauch gemacht werden, um ein wattmetrisches Instrument
gegen Temperaturfehler zu kompensieren, die eine Änderung der Phasenverschiebung
zwischen den Spannungs- und Stromflüssen herbeiführen könnten. Bei Induktionswattmetern
besteht zwischen Strom-und Spannungsfluß eine Phasenverschiebung von go ° bei cos
cp = i. Der größere Teil dieser go°-Phasenverschiebung wird durch die Spannungsspule
erzeugt, da sie eine sehr hohe Induktivität besitzt. Der verbleibende Teil der go°-Verschiebung
wird durch eine Kurzschlußspule erzeugt. In Abb. 5 stellt 17 das Stromeisen, 18
die Stromspule, ig das Spannungseisen und 2o die Spannungsspule dar. Die Triebscheibe
ist mit 21, der Bremsmagnet mit 22 bezeichnet. 23 ist die Kurzschlußspule, die aus
einer oder mehreren geschlossenen Windungen besteht und in der Nähe des Endes der
Spannungsspule angeordnet ist. Durch Veränderung des Widerstandes oder durch räumliche
Verschiebung der Kurzschlußwicklung kann die genaue Abgleichung auf go° erfolgen.
Abb.6 stellt das Vektordiagramm eines normalen Zählers dar, aus dem der Fehler,
der durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden kann, zu erkennen ist. Mit V
ist die Klemmspannung, die der Spule 2o- aufgedrückt wird, mit E der induktive Spannungsabfall
bezeichnet. Der Ohmsche Spannungsabfall der Spule 2o ist durch den Vektor jR dargestellt.
Der Vektor des Spannungsflusses ist mit #PE bezeichnet und besitzt gegenüber dem
Spannungsvektor V eine Phasenverschiebung, die kleiner als go ° ist. Um die Phasenverschiebung
zwischen V und c-bE auf- go ° zu bringen, ist die Kurzschlußwicklung vorgesehen.
Die in dieser durch Transformation erzeugte Spannung wird durch den Vektor
EL
dargestellt. Die Kurzschlußwicklung besteht in der Hauptsache aus Ohmschem
Widerstand. Ihr Flußvektor ist durch (DL dargestellt. Die Resultierende aus cPE
und chL ist cDR. Der resultierende Spannungsfluß cPR hat gegenüber der aufgedrückten
Klemmspannung V bei einer bestimmten Temperatur die gewünschte go°-Phasenverschiebung.
Da die Spannungsspule und die Kurzschlußwicklung gewöhnlich aus Kupfer hergestellt
werden, verändert sich ihr Widerstand bei Änderungen der Temperatur. Bei hoher Temperatur
wird der Ohmsche Spannungsabfall jR größer, was eine Verdrehung von cPE auf cDE'
zur Folge hat. Die
Vergrößerung des Widerstandes der Kurzschlußwicklung
und die Abnahme des Stromes in dieser bei Temperaturzunahme hat zur Folge, daß der
Fluß kleiner wird. Die Richtung des Flußvektors bleibt praktisch unverändert. Der
Vektor der Kurzschlußwicklung bei hoher Temperatur ist mit d)L' bezeichnet. Der
resultierende Spannungstriebfluß bei erhöhter Temperatur cDR' = cbE' + OL' hat gegenüber
der aufgedrückten Klemmspannung V eine Phasenverschiebung, die kleiner als go' ist.
Dies erklärt den Phasenfehler bei Temperatursteigerungen. Solange zwischen Strom
und Spannung eine Phasenverschiebung von ungefähr i besteht, hat der Temperaturphasenfehler
keinen starken Einfluß auf die Genauigkeit des Instrumentes. Bei kleineren Phasenverschiebungen
zwischen Strom und Spannung macht sich aber der Temperaturphasenfehler in starkem
Ausmaß bemerkbar. In dem Diagramm der Abb. 6 ist der Stromfluß nicht besonders eingezeichnet,
da er nur von dem Leistungsfaktor der Anlage abhängig ist. Bei cos cp = i ist der
Vektor des Stromtriebflusses mit dem Spannungsvektor V in Phase.
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Um die an Hand der Abb. 6 dargelegten Fehlermöglichkeiten bei steigender
Temperatur auszugleichen, wird gemäß der Erfindung in Reihe mit der Kurzschlußwicklung
23 ein temperaturabhängiger induktiver Widerstand geschaltet, wie dies in Abb.5
dargestellt ist. Um die Wicklung leichter aufbringen zu können, ist der Kern 12'
der temperaturempfindlichen Drossel in zwei Teile geteilt, die durch Messingbolzen
24 nach Einsetzen der Spule ii auf den mittleren Schenkel zusammengehalten werden.
Bei Versuchen mit einem normalen Zähler für 6o Perioden hat sich ergeben, daß eine
Kurzschlußwicklung 23 mit sechs Kupferwindungen, die in Reihe mit ungefähr 25 Windungen
der Drossel ii geschaltet waren, eine vollständige Temperaturkompensation ergibt.
In dem Diagramm der Abb. 7, das einem kompensierten Zähler entspricht, sind dieselben
Bezeichnungen gewählt wie bei dem Diagramm der Abb.6. Die Vektoren V, E,
IR, EL und cbE bleiben unverändert. Der Vektor cDL hat infolge der in den
Kurzschlußkreis eingeschalteten Drossel bei niedrigen Temperaturen eine vergrößerte
Phasenverschiebung gegenüber dem Vektor EL.
Die Resultierende cDR aus cDL
und cDE ist um genau go' gegenüber dem Vektor V verschoben. Beim Anwachsen der Temperatur
nimmt der induktive Widerstand in dem Kurzschlußkreis ab. Infolgedessen steigt der
Strom in dem Kurzschlußkreis an. Die Phasenverschiebung zwischen dem neuen Vektor
cDL' und der Spannung EL wird infolgedessen kleiner. Der resultierende Spannungsfluß
des Zählers bei hoher Temperatur ist äDR = cDE' + cDL'. Diese Resultierende bei
hoher Temperatur ist in bezug auf Größe und Richtung gegenüber dem Wert bei niedriger
Temperatur unverändert. Hieraus geht hervor, daß durch die temperaturabhängige Induktivität
sowohl die Veränderungen des Stroms als auch die Änderungen der Phasenverschiebung
bei Temperaturänderungen kompensiert werden können, und zwar innerhalb der praktisch
vorkommenden Temperaturveränderungen.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt, sondern kann ganz allgemein zur Kompensation bei Temperaturschwankungen
Verwendung finden.