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Verfahren zur Messung von Wirkkomponenten elektrischer Größen sowohl
bei Niederfrequenz- wie auch insbesondere bei Hochfrequenzanlagen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung von Wirkkomponenten
der elektrischen Größen, d. h. entweder der Spannungen oder der Ströme und ist sowohl
für das Niederfrequenzgebiet wie auch insbesondere für das Hochfrequenzgebiet anwendbar.
Sie ermöglicht es, ohne Wattmeter die Leistungen in ähnlicher Weise, wie dies bei
Gleichstromanlagen geschieht, einfach aus dem Strom und der Wirkspannung oder aus
der Spannung und dem Wirkstrom zu bestimmen.
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Es ist bereits von dem Erfinder an anderer Stelle vorgeschlagen worden,
zur Bestimmung des Wirkwiderstandes des Antennenkreises oder eines bestimmten Teiles
der Hochfrequenzsenderanlage die in Phase mit dem Arbeitsstrom befindlicheSpannungskocnponente
(Wirkspannung) dadurch zu messen, daß man den einen Pol eines Voltmeters an die
Klemme der den betreffenden Anlageteil speisenden Energiequelle anlegt und den anderen
Pol probeweise an verschiedene Windungen einer in Reihe mit der anderen Klemme der
Energiequelle vorn Arbeitsstrom durchflossenen Induktanz anlegt, so .lange, his
das Voltmeter den kleinsten Ausschlag zeigt, welchen Punkt man daran erkennt, daß
die Voltcneterablesungen bei weiterer Bewegung des Wanderkontaktes längs der in
Frage kommenden Induktanz in derselben Richtung wieder zu wachsen anfangen. Die
Durchführung dieses Verfahrens stößt indessen in der Praxis auf nicht unerhebliche
Schwierigkeiten. Vor allem ist es nur selten möglich, den Anschluß des Voltmeters
an den Arbeitskreis der Anlage zu verstellen, da die betreffenden Stellen des Arbeitskreises
nur selten zugänglich sind. Ferner ist der Umstand besonders nachteilig, daß der
Hauptstrom mehrere hundert Amperes betragen kann, so daß der Übergang des Wanderkontaktes
von einer Windung zur anderen (itn Falle, daß die Windungen nicht isoliert sind
und dieser Übergang überhaupt möglicht ist) besonders bei Hochfrequenz tnit verhältnismäßig
großen Spannungssprüngen verbunden und eine stetige Einstellung des Instruncentes
und zuverlässige Feststellung der Minimalablesung nicht möglich ist. Auch ist die
Anlage nur selten so beschaffen, daß das Durchprobieren der ganzen Induktanz, längs
welcher der Voltmeterkontakt wandert, die gesuchte Minimalablesung liefert. In diesem
Fall ist man gezwungen, in den betreffenden Starkstromkreis eine weitere Absuchinduktanz
und eine dieseInduktanz kompensierende Kapazit'it einzuschalten. Diese zusätzlichen
Starkstromapparate
bedingen aber neue beträchtliche Verluste und Verteuerung der Anlage.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf eine vorteilhafte Abänderung
dieses Verfahrens, bei der die angegebenen Nachteile vermieden werden, ferner auf
Verallgemeinerung des Meßverfahrens auch für Messung von Wirkströmen, schließlich
auf eine einfache und billige Einrichtung, mit der die gewünschte Messung zu jeder
Zeit zuverlässig durchgeführt werden kann, wobei man in den Arbeitsstromkreis der
Anlage im allgemeinen keine besonderen Starkstr oinapparate einzuschalten braucht
oder nur solche, die nur wenig Voltampere verzehren, z. B. einen nur wenige Primärwindungen
aufweisenden Serientransformator (vgl. Abb. ib).
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Bei der Verwendung des Meßverfahrens nach derErfindung zurBestimmung
derWirkspannung wird dem Voltmeter außer der Spannung, deren Wirkkomponente gemessen
werden soll, noch eine dem zu messenden Arbeitskreis indirekt mittels einer elektroinagnetischenübersetzung
entnommene, gegen den Arbeitsstrom genau oder angenähert um 9o° phasenverschobene
Spannungskomponente zugeführt, derart, daß die Einstellung des Voltmeters auf die
die gesuchte Wirkkomponente ergebende Minimalablesung durch Regelung der zugeführten
Hilfskomponente ohne Änderungen der Anschlüsse an den Arbeitsstromkreis erfolgt.
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An Hand der Abb. i bis 2b und Ausführungsbeispiele 3 bis q. sei zunächst
das Wesen des Verfahrens und der zu seiner Durchführung geeigneten Einrichtung für
den Fall erläutert, daß es sich um Bestimmung der Wirkkomponente der Spannung handelt.
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Es sei also angenommen, daß die Leitung bzw. die Wirkspannung zwischen
den Punkten i und 2 (s. Abb. i. i a und i b) bestimmt werden soll. Ist nun, wie
dies meistenteils bei Hochfrequenzanlagen der Fall ist, unmittelbar hinter diesen
Punkten ein induktiv (Abb. i) oder kapazitiv (Abb.2a) wirkendes Organ vorhanden,
so kann man den durch dieses Organ bewirkten Spannungsabfall im Sinne der Erfindung
dazu benutzen, um über eine veränderliche elektromagnetische Übersetzung eine diesem
Abfall im wesentlichen phasengleiche veränderliche Spannung zu erhalten. Sind aber
im Arbeitskreise solche Organe nicht vorhanden oder schwer zugänglich, so kann man
sie einführen (sie brauchen ja nicht viel Spannung zu verzehren); noch besser ist
es aber in diesem Fall (und besonders zweckmäßig bei iederfrequenzanlagen), die
nötige auf dem Arbeitsstrom senkrecht stehende Spannung nach Abb. i b der Sekundärwickhing
eines Stromwandlersw (ähnlich denen zurMessung größerer Ströme - mit nur aus wenigen
Windungen oder aus einem gestreckten Leiter bestehendem Primärteil und mit mehreren
sekundären Windungen) abzugreifen. Hierbei muß natürlich ein Ende der Sekundärwicklung
des Stromwandlers an die zugehörige primäre Leitung angeschlossen sein.
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Die Spannungsverteilung ist in Abb. 2 für den Fall der voreilenden
Ströme und in Abb. 2a für den Fall der nacheilenden Ströme vektoriell dargestellt.
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Hier bedeuten J bzw. E" die Vektoren des Arbeitsstromes bzw. der Klemmenspannung
zwischen den Punkten i und 2 der Anlage. E"3 ist - der durch das obenerwähnte, im
Arbeitskreis der Anlage liegende Organ (Induktanz bei der Abb. i, Kapazität bei
der Abb. ia oder primäre Stromwandlerwicklung bei der Abb. ib) verursachte senkrecht
auf dem Stromvektor stehende Spannungsabfall. Wird dieser Spannungsabfall nach der
Erfindung durch eine veränderliche Übersetzung in eine mit diesem gleichgerichtete
oder diesem entgegengerichtete regelbare Spannung verwandelt und diese letztere
in Reihe mit der Spannung Eh dem Voltmeter zugeffilirt, so kann die zusätzliche
regelbare Spannung leicht auf den Betrag des Blindspamiungsvektors 2, o eingestellt
werden, wobei die auf das Voltmeter wirkende resultierende Spannung den kleinsten
möglichen Vektorbetrag i, o hat und daher die gesuchte Wirkspannung E" darstellt.
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Die Abb.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Einrichtung zur Durchführung
des oben beschriebenen Meßverfahrens. Hier ist die senkrecht zum Strom stehende
Spannung, z. B. der induktive Spannungsabfall einer Induktanz 2, 3', der Primärwicklung
2, 3 eines (am besten einspuligen) Transformators t aufgedrückt; der andere Teil
des Transformators besitzt e_'ne Spannung, die diesem Spannungsabfall proportional
und mit ihm phasengleich ist. Verschiebt man einen Wanderkontakt h des Voltmeters
längs dieses Transformatorteiles, so wandert bei Abb.2 oder 2a das Ende des Vektors
der Voltmeterspannung auf der Fortsetzung der Strecke 2, 3, und bei bestimmter Stellung
des Wanderkontaktes zeigt das Voltmeter die minimale Spannung i, o, die die gesuchte
Wirkspannung E", ist.
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Abb. 3a zeigt dieselbe Schaltung des Voltmeters mit dem einzigen Unterschied,
daß hier der zum Strom senkrechte Spannungsabfall nicht einer in der Netzleitung
befindlichen Induktanz, sondern der sekundären Wicklung 2, 3 eines Stromwandlers
w entnommen wird.
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Das Verschieben eines Wanderkontaktes
längs der Transformatorwicklung
hat den Nachteil, daß die Änderung der dem Voltineter vorgeschalteten Hilfsspannung
nicht ganz stetig erfolgt und das Kurzschließen von Windungen bei überbrückung ihrer
Abzapfungen durch den Wanderkontakt durch mehr oder weniger komplizierte Kontaktanordnungen
bekämpft werden muß.
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Es empfiehlt sich daher, für die praktische Ausführung des Transformators
die Anordnung nach Abb.3b zu gestalten, mit einer festen Spule 2, 3 und einer mit
dieser am Ende 2 elektrisch verbundenen Drehspule 2, o, deren Ende o am Voltmeter
liegt. Hier wird die gesuchte Minimalspannung des Voltmeters einfach und ganz stetig
durch die Drehung der beweglichen Spule 2, o eingestellt. Diese Einrichtung hat
auch den Vorteil, daß sie bei genügender Windungszahl der Drehspule 2, o ohne jede
Schaltsinn- oder Drelisinnänderung sowohl für den Fall der voreilenden (Abb.2) wie
auch für den Fall der nacheilenden Ströme (Abb. 2a) die gewünschte Einstellung auf
Minimalspannung des Voltmeters liefert.
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Ein derartiger, durch eine stetige Verschiebung des primären oder
sekundären Teiles in der Abb.3b dargestellter regelbarer Transformator kann den
Regler t der Abb. 3 und 3a ersetzen. Es ist aber auch möglich und vorteilhaft, den
Stromwandler w selbst in dieser Weise mit einem stetig verstellbaren, primären oder
sekundären, z. B. drehbaren Teil auszuführen, so daß dann ein besonderer Regler
t der Abb. 3a nicht nötig ist. Dies zeigt Abb.3c. In diesem Fall wird das Ende o
der Sekundärwicklung s des mit einem verschiebbaren, z. B. drehbaren Teil ausgeführten
Serientransformators w direkt an das Voltmeter h geschaltet.
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Für die Genauigkeit des Meßresultates ist es erforderlich, daß der
Voltmeterstrom im Transformator t keinen bedeutenden, von der Blindspannung abweichenden
Spannungsabfall verursacht. Er muß daher entsprechend klein sein. Es kann außerdem
unter Umständen sich empfehlen, im Stromkreise des Voltmeters einen in Abb. 3 durch
punktierte Linien angedeuteten Kondensator zur Kompensierung dieses Spannungsabfalles
zu verwenden.
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Anstatt eines Transformators kann man zur Einstellung der Hilfsspannung
auf den Betrag der negativen Blindspannung auch einen regelbaren induktiven \ ebenschluß
verwenden. Eine derartige Einrichtung zeigt Abb. .1, wo parallel zum Stromwandler
zu zweckmäßigerweise zu seiner Sekundarseite eine regelbare Induktanz l liegt.
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In dein vorangehenden Teil der Beschreihung war das Wesen der Erfindung
für den speziellen Fall erklärt, daß die elektrische Größe, deren Wirkkomponente
gesucht wird, eine Spannung ist. Das Verfahren sowie die Einrichtung zur Ausübung
desselben in dein zweiten speziellen Fall, daß es der Strom ist, dessen Wirkkomponente
bestimmt werden soll, gestaltet sich ganz analog: da nämlich die Projektion des
Stromes auf die Spannung die Wirkkomponente des Stromes ebenso wie die Projektion
der Spannung auf den Strom die Wirkkomponente der Spannung ergibt, so besteht zwischen
den Begriffen Strom und Spannung eine logische Reziprozität, so daß es genügt, in
der obigenBesclireibung die Worte Spannung und Strom zu vertauschen, als Meßinstrunient
statt des Voltmeters das Amperemeter anzugeben, und bei der Angabe der Schaltungen
überall Hintereinanderschaltung durch Parallelschaltung zu ersetzen und umgekehrt
(da ja das Addieren der Spannungen durch Serienschaltung und das Addieren der Ströme
durch Parallelschaltung erfolgt, um die vorstehende Beschreibung ohne weiteres auf
die Messung der Wirlclceinponente der Ströme beziehen zu können. So kann man z.
B. in dieser Weise aus der Abb.3 die entsprechende Schaltung zur Wirkstrommessung
nach Abb. 5 ableiten, worin A ein Amperemeter, L einen einstellbaren scheinbaren
Widerstand und t ein ebenfalls einstellbares transforinatorisch wirkendes Organ
bedeuten. Hier steht der dein Amperemeter A zugeführte, mit dem Hauptstrom überlagerte
Hilfsstrom in einer bekannten Phasenbeziehung zur Spannung, gegebenenfalls senkrecht
zu ihr, und kann daher bei passender Einstellung die Blindkomponente des Hauptstromes
im Amperemeter kompensieren, so daß hier die Wirkkomponente ohne weiteres durch
die Minimalablesung des Amperemeters angezeigt wird.
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Man kann das Amperemeter mit dein Netz statt direkt mittels eines
Stromwandlers wie in Abb. 5a dargestellt ist - verbinden. Aus dein Obigen sieht
man, daß das Wesen des Verfahrens nach der Erfindung allgemein darin besteht, daß
zur. Bestimmung der Wirkkomponente der beliebigen elektrischen Größe des Netzes
(entweder der Spannung oder des Stromes) <lern Meßinstruinent außer der elektrischen
Größe, deren Wirkkomponente gemessen wird, noch eine dein zu messenden Arbeitskreis
indirekt mittels einer elektromagnetischen Übersetzung entnommene Komponente zugeführt
wird, die in einer bestimmten wesentlichen Phasenverschiebung - am besten von 9o°
-zur reziproken elektrischen Größe (zum Strom bzw. zur Spannung) steht, derart,
daß die Einstellung des Meßinstrutnenteauf die die gesuchte Wirkkomponente ergebende
Minimalablesung
durch Regelung der zugeführten Hilfskomponente
ohne Änderungen der Anschlüsse an den Arbeitsstromkreis erfolgt.
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Man sieht ferner, daß zum Übergang von der Beschreibung und Formulierung
des einen Sonderfalles zur Beschreibung und Formulierung des anderen es einfach
genügt, überall innerhalb der reziproken Begriffspaare Strom und Spannung, Voltmeter
und Amperemeter, Vorschalten und Nebenschalten die sich dual entsprechenden Begriffe
einfach zu vertauschen. .