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Einrichtung zum Messen von Wirkwerten, Blindwerten und komplexen Werten
des Verbrauchs bzw. der Leistung in Dreiphasenanlagen Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zum liessen von Wirkwerten, Blindwerten und komplexen Werten des Verbrauchs
bzw. der Leistung in Dreiphasenanlagen mit drei oder vier Leitern und ermöglicht
unter anderem, einen Wirkverbrauchszähler, einen Blindverbrauchszähler oder einen
den komplexen Verbrauch messenden Zähler bestimmter Empfindlichkeit in einen Zähler
zu verwandeln, der eine von der dem anfänglichen Zähler zugeordneten Meßgröße verschiedene
Verbrauchsgröße mit der gleichen Empfindlichkeit wie der Ausgangszähler oder mit
einer hiervon verschiedenen Empfindlichkeit mißt.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung ist auch bei Leistungsmessern und
irgendwelchen anderen wattmetrischen Apparaten, beispielsweise Relais, Phasenmessern,
anwendbar. Aus Gründen der Einfachheit mögen im folgenden nur Zähler beschrieben
«-erden; in den angeführten Beispielen ist vorausgesetzt, daß es sich darum handelt,
einen Wirkverbrauchszähler in einen Blindverbrauchszähler oder einen komplexen Zähler
zu verwandeln. Aber die gleichen Einrichtungen können bei einem Blindverbrauchszähler
oder einem komplexen Zähler als Ausgangsgerät getroffen werden. Die Erfindung beruht
auf dem folgenden grundlegenden Prinzip: es seien ui und 2t., zwei Werte solcher
Spannungen, über die man leicht in einer Dreiphasenanlage verfügen kann, und es
seien weiter a und b zwei positive oder negative Konstanten. Trifft
man die Anordnung so, daß man eine Spannung von der Form ca=a#ui+b#u2 (i) erhält,
dann kann man durch passende Wahl von Iti und 2c2 sowie von a und b erreichen, daß
2t irgendeinen gewollten Wirkwert und irgendeine vorgegebene Phase hat. Führt man
diese Spannung 2t und einen geeigneten Strom den entsprechenden Wicklungen eines
Wirkverbr auchszählers zu, dann mißt dieser die Größe
und das kann ein Wirkverbrauchswert, ein Blindverbrauchswert oder ein komplexer
Wert sein. Vereinigt man in geeigneter Weise zwei oder drei Zähler oder Triebsysteme
solcher Zähler, dann kann man den Wirkverbrauch, den Blindverbrauch o,ler den
komplexen
Verbrauch einer Dreiphasenanlage messen.
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Die Vorrichtungen zur Herstellung von Spannungen nach Gleichung (i)
können sich im Inneren des Zählers befinden oder getrennt von ihm in einem Zusatzgehäuse
angeordnet sein; mit Hilfe von Umschaltern oder wirkungsgleichen Teilen kann man
ohne Schaltungsänderungen einen irgendeine Verbrauchsgröße messenden Zähler in einen
eine andere Verbrauchsgröße messenden Zähler verwandeln, beispielsweise einen Wirkverbrauchszähler
in einen Blindverbrauchszähler oder einen komplexen Zähler gleicher oder verschiedener
Empfindlichkeit.
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Die Abb. i bis 13 veranschaulichen als Ausführungsbeispiele eine Reihe
von Schaltungen und zugehörige Vektordiagramme.
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Abb. i ist das Schaltschema zweier in T
geschalteter Autotransformatoren
C' Ä' und Ö' B mit solchen Anzapfungen bzw. Zwischenklemmen, daß man mit
einem einzigen, zwei Triebsysteme enthaltenden Wirkverbrauchszähler sowohl den Wirkverbrauch
als auch den Blindverbrauch bei gleicher Empfindlichkeit messen kann.
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0' ist der den beiden Autotransformatoren gemeinsame Punkt; die Abgriffe
bzw. Klemmen A, B und C sind mit den drei Verteilungsleitern verbunden.
A', B' und C sind drei andere Klemmen bzw. Ausführungen. Es sei angenommen,
daß der Leiter Fi mit dem Punkt A, der Leiter F2 mit dein Punkt
B
und der Leiter F3 mit dem Punkt C verbunden ist und daß die Phase 2 um 12o
elektrische Grade im rückwärtigen Sinne gegen die Phase i verschoben ist.
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Die Windungszahlen der Autotransformatoren sind so gewählt, daß, wenn
die Spannungen zwischen AB, BC und CA einander gleich sind, ein Dreiphasensystem
bilden und den Wirkwert U haben, die Spannung zwischen 0' und A, zwischen
0' und B' oder zwischen 0' und C gleich
ist; die Spannung zwischen 0' und A', zwischen 0' und B oder zwischen 0' und
C ist dann gleich
Sind die das Stromeisen im Triebsystem der Zähler erregenden Wicklungen in die Anschlußleitungen
zu den Verteilungsleitern F, und F2 eingeschaltet, so werden die das Spannungseisen
der Triebsysteme dieser Zähler erregenden Wicklungen zwischen A und
B
bzw. zwischen C und B gelegt, wenn es sich um die Messung des Wirkverbrauchs,
dagegen zwischen B' und C' bzw. A' und B' gelegt, wenn es sich um
die Messung des Blindverbrauchs handelt, wie dies in A'bb. i angegeben ist.
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Im erstgenannten Falle hat man die sogenannte Zweiwattmeterschaltung
für die Messung einer Wirkgröße; im letztgenannten Falle ist die Spannung an den
Klemmen B' und C' und damit auch an den Klemmen der Spannungswicklung des ersten
Zählers um go elektrische Grade im rückwärtigen Sinne gegen die Spannung verschoben,
die dein Anschluß an die Klemmen A und B zukam. Ebenso ist beim zweiten Zähler
beim Anschluß an A' und B' die Spannung an den Klemmen der Spannungswicklung um
go elektrische Grade im rückwärtigen Sinne gegen die Spannung beim Anschluß an C
und B verschoben.
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Dies kann man sofort aus dem Vektordiagramm der Abb. 2 entnehmen,
in der 0A bzw. OB bzw. 0C die Vektoren der Phasenspannungen des Drehstromsystems
sind. Die Strecken BA und BC sind die beiden verketteten Spannungen, die
bei der sogenannten Zweiwattmeterschaltung für die Messung des Wirkverbrauchs die
feindrahtigen Wicklungen der Zähler speisen; die Strecken CB' und B' A' sind
die Spannungen, die die gleichen Wicklungen bei der Messung der Blindleistung speisen.
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Abb. 3 ist ein Diagramm, das die Destimmung der zwischen dem Punkt
0' und den verschiedenen Ausgangsklemmen der beiden in T geschalteten Autotransformatoren
anzuordnenden Zahl von Windungen ermöglicht, wenn man mit Hilfe zweier Wirkverbrauchszähler
oder eines solchen Zählers mit zwei Triebsystemen eine komplexe Verbrauchsgrö,ße
vom Winkel ec messen will, d. h. die Größe
in den im Gleichgewicht befindlichen und sinusförmige Ströme führenden Dreipliasensysteinen;
U ist der Wirkwert der Spannung zwischen zwei Zuleitungen und I der Strom in einer
dieser Zuleitungen. Im Diagramin der Abb.3 stellen die Strecken i37211 und B_(:
die beiden verketteten Spannungen dar, die den Spannungen der Vektoren
BA und BC in Abb. 2 entsprechen; B' A' und B" C' sind zwei
Spannungen vom gleichen Wirkwert U wie die vorgenannten, aber gegen jene uni einen
Winkel a in der Phase verschoben. Legt man die Spannungswicklungen der Zähler an
diese Spannungen, so messen die Zähler die durch Gleichung (3) bestimmte Größe.
Aus dem Diagramm der Abb. 3 liest man weiterhin die folgenden Beziehungen ab: ''-
B' A' # cos (6o° - a) oder '' - U # cos (6o'
- a) und (q.) Ö' B' - U # sin (6o' - a). (5)
Ebenso _wird
Ö' C' - U # cos (6o' -r- a) und (6) Ö' B' - U # sin (6o° + a). (7)
In
Abb.4 ist das Schaltschenla der beiden in T geschalteten Autotransformatoren
für die Messung von P, veranschaulicht.
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Die Punkte A, B und C müssen an die drei Leitungsdrähte angeschlossen
werden, so daß die Spannungen zwischen AB bzw. BC bzw. CA den Wirkwert tr
haben; die Anschlußpunkte A' bzw. B' bzw. C' bzw. B'
werden
so ausgewählt, daß die Spannungen zwischen dem Punkt 0' und einem der vorgenannten
Punkte durch die Gleichungen! @. bzw. 5 bzw. 6 bzw. 7) bestimmt sind.
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Für die Messung des Wirkverbrauchs «-erdeis die feindrähtigen Wicklungen
der Zähler zwischen die Punkte A und B und zwischen die Punkte C und B gelegt; für
die Messung einer komplexen Verbrauchsgröße werden sie entsprechend zwischen die
Punkte A' und B' und zwischen die Punkte C' und B" gelegt.
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Aus Abb.3 kann man leicht entnehmen, daß für einen positiven Winkel
a, der größer sils 30° ist, der Punkt C rechts von 0' fällt; ebenso fällt
der Punkt B" für einen positiven und 6o° übersteigenden _Winkel a in die Verl:iiigerung
der Strecke BO' über 0' hinaus. Aus diesem Diagramm folgt, daß man für a - 9o °
das Schaltschema nach Abb. 5 herstellen müßte; die Spannungen zwischen 0' und B'
bzw. zwischen 0' und B" sind gleich
und die Spannung zwischen 0' und A' ist gleich
. Uin diese Schaltung zu erhalten, inuß man in negativer Richtung die Wicklung B0'
des einen Autotransforissators fortsetzen, was bei der Schaltung nach Abb. i dadurch
vermieden ist, daß dort die Spannurig B" A' durch die wirkungsgleiche Span-Z, CB'
ersetzt ist.
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Die Mittel zur Herstellung von Schaltungen für andere besondere Winkel
a ergeben sich leicht.
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Main kann den Zähler und die für die Messung einer Verbrauchsgröße
notwendigen Wandler zusammenbauen und weiterhin (sie Gesamtheit durch die Einordnung
voll Umschaltern vervollständigen, die es ermöglichen, bequem von der Schaltung
für die Messung einer Verbrauchsgröße zu einer anderen Schaltung für die Messung
einer anderen, oder mehrerer anderer Verbrauchsgrößen überzugehen. Auch kann man
die Hilfseinrichtungen in einem Zusatzgehäuse unterbringen.
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Abb. 6 ist das Schaltschema für die Apparate in einem solchen Zusatzgehäuse
für den lall, daß mittels eines Wirkverbrauchszählers iiiit zwei Triebsystemen nacheinander
in einer Dreiphasenanlage der Wirkverbrauch und der Blindverbrauch in der Schaltung
nach Abb. i gemessen werden soll. Ff bzw. F, bzw. F., sind die drei Leiter eines
Drehstromsystems, C'1 und C'3 sind zwei Zähler mit den Stromwicklungen A'1 bzw.
A'3 und den- Spannungswicklungen V'1 und V'3, BA ist das Zusatzgehäuse; mit I bzw.
1I bzw. III sind drei Klemmen bezeichnet, an die man die zu den Leitern F1 bzw.
F, bzw. F3 führenden Zuleitungen anschließt; a, b, c und (l sind die Klemmen zum
Anschluß der Spannungswicklungen der Zähler, J ist ein Phasenzeiger, und mit i sind
zwei Ausschalter bezeichnet. r, 2, 3, 4, 1', 2', Y, ._l', V', 2" 3"i 4" ist
ein vierpoliger Zweifaclluinschalter_, dessen Handgriff mit @b7 bezeichnet ist,
und C 0' A' B' C_OAB sind die Ausgangsklemmen zweier nach Abb.
i geschalteter Autotransformatoren. Man sieht leicht, daß, wenn die Schalthebel
i, 2, 3, d. des Unischalters eine elektrische Verbindung mit den Punkten i', 2',
3' und d.' herstellen, man die Schaltung für die Messung des Wirkverbrauchs hat;
stellen dagegen die Schalthebel i, 2, 3 und .4 eine Verbindung mit den Punkten 1",
2", 3" und 4." her, so hat iuan die Schaltung für die Messung des Blindverbrauchs.
Der Apparat J ermöglicht, die Phasenleitungen F1, F, und F, richtig anzuschließen.
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Die Verwendung von Autotransformatoren ermöglicht ferner einen Wechsel
der Empfindlichkeit der Zähler.
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Abb. 7 ist ein Schaltschema für zwei verschiedene Spannungsempfindlichkeiten
sowohl bei der Messung des Wirkverbrauchs als auch des Blindverbrauchs. In dieser
Abbildung haben die Bezugszeichen die gleiche Bedeutung wie in Abb. i, jedoch mit
Ausnahme der Klemmen Al bzw. Bi bzw. Ci, zwischen denen eine Spannung
k # U herrscht, die im Schema der Abb. ; größer als U angenommen ist,
die aber ebensogut auch kleiner als U sein kann; U ist die Spannung, für die der
Zähler gebaut ist, und k gibt die Beziehung zwischen dieser Spannung und der zwischen
den Klemmen Al, hl und Cl herrschenden Spannung all.
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Abb. 8 ist (las Schaltschensa für die Apparate eines im wesentlichen
dein Zusatzgehäuse nach Abb.6 ähnlichen Zusatzgehäuses, aber (fiese Apparate sind
so bemessen und allgeordnet, daß man mit einem einzigen Wirkverbrauchszähler den
Wirkverbrauch und den Blindverbrauch in Stromkreisen mit den Wirkspannungen
U oder k.U messen kann, wobei U und h die gleiche Bedeutung
wie im Schema der Abb. 7 haben.
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Die Bezugszeichen iss Abb.8 haben die gleiche Bedeutung wie in den
Abb.6 und 7, nur müssen hier die Klemmen I, bzw. 111 bzw. IIIl an die Phasenleiter
F, bzw. F., bzw. F,. angeschlossen werden, wenn, wie dies in _@bb. 8 vorausgesetzt
ist, die Speisespannung den Wert k # U hat.
Man kann auch mit nur
einer Reihe von Anschlußklemmen I bzw. II bzw. III und einem dreipoligen Zweifachumschalter
auskommen, der sie mit den Ausgangsklemmen A bzw. B bzw. C der Autotransformatoren
verbindet, wenn die Netzspannung gleich U ist, dagegen mit den Ausgangsklemmen Al
bzw. B1 bzw. Cl, wenn die Netzspannung gleich k # U ist.
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An Stelle zweier in T geschalteter Autotransformatoren kann
man nach Abb. 9 auch ihrer drei Autotransformatoren verwenden, die in Stern geschaltet
sind und den neutralen Punkt 0 bilden, der mit dem vierten Leiter einer Drehstromvierleiteranlage
verbunden werden kann. A bzw. B bzw. C sind wieder die mit den drei
Verteilungsleitern zu verbindenden Klemmen der Autotransformatoren. In Drehstromdreileiteranlagen
werden die Spannungswicklungen der Zähler für die Messung des Wirkverbrauchs nach
der Zweiwattmetermethode an AB und CB angeschlossen; für die Messung des
- Blindverbrauchs verbindet man sie entsprechend mit 0C' und A' 0. Will man
eine komplexe Verbrauchsgröße vom Winkel a messen, so ordnet man in den Wandlern
vier Anzapfungen so an, daß man zwei Spannungen vom Wirkwert U erhält, die in bezug
auf die Spannungen zwischen A und B bzw. zwischen C und B um den Winkel a phasenverschoben
sind.
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Im Diagramm der Abb. io stellen die Strecken OA, OB und
O_C die Spannungen zwischen dem neutralen Punkt _0 und den drei Punkten
A, B und C dar. BA und BC sind die an die Spannungswicklungen der
Zähler beim Messen des Wirkverbrauchs zu legenden Spannungen, B' A' und
B" C dagegen die Spannungen, die den Spannungswicklungen der gleichen
Zähler beim Messen der durch den Winkel a gekennzeichneten komplexen Verbrauchsgröße
aufzudrücken sind. Man liest aus dem Diagramm folgende Werte für die durch die Vektoren
0A', OB',
OG' und OB" bestimmten, von den Wandlern abzunehmenden und
vom neutralen Punkt 0 paus gerechneten Spannungen ab:
Im Sonderfall der Messung des Blindverbrauchs nimmt das Diagramm nach Abb. io die
in Abb. i i veranschaulichte Form an, und es folgt, daß B' A' entgegengesetzt
zu 0C, dagegen B" C' in Phase mit 0A sein muß; aus Abb. i i ist das Schaltschema
der Abb. 9 abgeleitet. Man kann mehrere Spannungsempfindlichkeiten erhalten, wenn
man das berücksichtigt, was in bezug auf in T geschaltete Autotransformatoren
dargelegt worden ist.
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In Dnehstromvierleiteranlagen benutzt man drei Zähler oder Leistungsmesser;
für die Messung des Wirkverbrauchs legt man die Stromwicklungen der drei Zähler
in die Phasenleiter, die Spannungswicklungen zwischen je
einen Phasenleiter
und den neutralen Punkt. Will man eine komplexe Verbrauchsgröße vom Winkel a messen,
dann kann man die Stromwicklungen der drei Zähler an denvorgenannten Orten belassen
und die Spannungswicklungen aus drei gegenüber den beim Messen. 'sdes° Wirkverbrauchs
benutzten Phasenspannungen um den Winkel a verschobenen Spannungen speisen. Soll
mit der gleichen Empfindlichkeit wie im ersten Fall gemessen werden, dann. trifft
man die Anordnung so, daß der Wirkwert U' der Spannungen an den Zählerklemmen nicht
geändert wird; will man dagegen eine um den Faktor k vergrößerte Empfindlichkeit
haben, dann macht man den Wirkwert der Spannung gleich k # U'.
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Das in Ansehung von Dreileiteranlagen Dargelegte ermöglicht das leichte
Auffinden der für Messungen komplexer Größen vom Winkel a zu treffenden Anordnungen.
Abb. 1:2 und 13 zeigen zwei Schaltschemata für die Messung des Wirkverbrauchs
und des Blindverbrauchs bei gleicher Empfindlichkeit. In Abb. i2 ist die Verwendung
dreier Autotransformatoren mit dem neutralen Punkt 0 vorausgesetzt; in Abb.
13
sind zwei in T geschaltete Autotransformatoren angenommen. Dann
stellt man künstlich einen neutralen Punkt 0 her, dessen Lage dadurch bestimmt ist,
daß die zwischen 0 und 0' gemessene Spannung ein Drittel der Spannung zwischen 0'
und B ist. In den Abb. 12, und 13 sind A, B und C die Anschlußpunkte für
die Netzleiter. Die Punkte A, B' und C sind so gewählt, daß die Spannungen
zwischen dem neutralen Punkt 0 und einem jeden von ihnen den Wirkwert
haben, wenn U' der Wirkwert der urverketteten Spannungen ist.
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Für die Messung des Wirkverbrauchs werden die Spannungswicklungen
der Zähler zwischen 0 und die Punkte A bzw. B bzw. C
gelegt.; für die
Messung des Blindverbrauchs legt man die gleichen Spannungswicklungen an die Punkte
C und B' bzw. A' und C bzw. B' und A'.