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Einrichtung zur Ermittlung des Wertes des Phasenwinkels oder einer
eindeutigen Funktion des Phasenwinkels zwischen zwei Strömen oder Spannungen oder
einem Strom und einer Spannung, insbesondere zum Zwecke der Fernübertragung Zur
Fernübertragung des Phasenwinkels oder einer eindeutigen Funktion des Phasenwinkels
zwischen zwei Strömen oder Spannungen oder einem Strom und einer Spannung, z. B.
zum Zwecke der Fernmessung oder Fernregelung, sind die bekannten Cosinus-9p-Zeigermeßgeräte
unmittelbar nicht geüignet und können auch wegen des geringen Drehmomentes als Steuereinrichtung
für ein Impulsgebergerät im allgemeinen nicht verwendet werden. Man hat darum schon
vorgeschlagen, zur Fernübertragung des Phasenwinkels mittels eines Wirkleistungsmessers
und eines Blindleistungsmessers je eine Meßgleichstromdynamo anzutreiben und die
so erzeugten Gleichströme über zwei getrennte Fernleitungen einem an der Empfangsstelle
befindlichen Quotientenmeßgerät zuzuleiten, welches somit den jeweiligen Wert des
Phasenwinkels anzeigt. Es liegt nahe, gegebenenfalls statt eines Wirk- und eines
Biindleistungsmessers mit Meßdynamo andere bekannte Einrichtungen zu verwenden,
die dem Wirkstrom und dem Blindstrom proportionale Ströme liefern, und aus diesen
Strömen an der Empfangsstelle mittels eines Quotientenmeßgerätes den gesuchten Phasenwinkel
zu ermitteln.. Alle diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, daß man zur Fernübertragung
zwei gesonderte Fernleitungen benötigt.
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Gegenstand der Erfindung ist eine zur Ermittlung des Phasenwinkels
oder einer eindeutigen Funktion des Phasenwinkels dienende Einrichtung, die unmittelbar
als Gebergerät zur Fernübertragung des ermittelten Wertes über eine einzige Fernleitung
Anwendung finden kann. Kennzeichnend für die neue Anordnung ist, daß der gesuchte
Phasenwinkel durch die Phasenverschiebung zweier mit je einem Wechsel- oder Drehfeld
synchron gekuppelter, an sich unabhängig voneinander beweglicher -Organe unter Ableitung
des Erregerstromes des einen Feldes von der einen und des Erregerstromes des anderen
Feldes von der anderen der hinsichtlich ihrer gegenseitigen Phasenverschiebung in
Betracht kommenden Größen nachgebildet ist und daß der gesuchte Phasenwinkel in.
Abhängigkeit von der gegenseitigen, mit dem gesuchten Phasenwinkel sich eindeutig
ändernden
Phasenlage der beiden umlaufenden Organe über eine Leitung
nach dem Anzeigeort oder dem Empfangsort übertragen wird.
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In welcherWeise die nachzubildenden Größen, z. B. Ströme, von den
Ursprungsgrößen, deren gegenseitige Phasenverschiebung zu ermitteln ist, abgeleitet
sind, ist für die Erfindung an sich nicht wesentlich. Selbstverständliche Voraussetzung
ist natürlich, daß der Phasenwinkel zwischen den abgeleiteten Strömen ein eindeutiges
Maß für den Phasenwinkel zwischen den Ursprungsgrößen abgibt. Ist die Ursprungsgröße
ein Strom, so kann dieser Strom selbst oder ein abgezweigter Teil dieses Stromes
zur Erregung des Wechsel- oder Drehfeldes verwendet werden. Wenn es sich bei der
Ursprungsgröße um eine Spannung handelt, so .kann die Erregerwicklung des Wechsel-
oder Drehfeldes unmittelbar an die betreffende Spannung gelegt werden. Im allgemeinen
wird es jedoch, wenn es sich um die Überwachung eines Starkstromnetzes handelt,
erforderlich sein, die zur Erregung der Wechsel- oder Drehfelder dienenden Ströme
über Ström- bzw. Spannungswandler von den Ursprungsgrößen abzuleiten.
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Ist für den einzelnen abgeleiteten Strom nur eine einzige Erregerwicklung
vorgesehen, so wird von diesem Strom nur ein Wechselfeld aus= gebildet. Man kann
aber auch durch Verzweigung des abgeleiteten Stromes nach einer der bekannten Kunstschaltungen
ein Drehfeld ausbilden. Selbstverständlich fallen unter den hier verwendeten Begriff
Drehfeld auch Wanderfelder.
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Ein sehr einfaches Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
ergibt sich bei Verwendung von zwei zweckmäßig selbstanlaufenden Synchronmotoren,
die von den abgeleiteten Strömen angetrieben werden und deren Anker dann die beweglichen
Organe bilden oder tragen. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung
schematisch dargestellt. Es ist angenommen, daß die Phasenverschiebung zwischen
der Spannung und dem Strom des Netzes 1, 2 ermittelt werden soll. Hierzu ist an
die Spannung des Netzes ein Spannungswandler 3 gelegt, an dessen Sekundärwicklung
die Wicklung q. eines Synchronmotors 5 angeschlossen ist. 6 ist der Anker des Synchronmotors,
mit dessen Ankerachse eine Bremsscheibe 7 verbunden ist. Die Bremsscheibe 7 steht
unter dem Einfluß eines Bremsmagnets, dessen Erregerwicklung 8 in Reihe mit der
Wicklung q. des Synchronmotors liegt. In die Leitung 2 des Netzes ist ein Stromwandler
g gelegt, an dessen Sekundärklemmen die Wicklung 1o eines zweiten Synchronmotors
11 angeschlossen ist. Mit der Achse des Motorankers 12 ist ebenfalls eine Bremsscheibe
13 verbunden, der als Bremsmagnet ein Elektromagnet zugeordnet ist, dessen Erregerwicklung
14 in Reihe mit der Motorwicklung 1o liegt.
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Auf dem einen Ende der Ankerachsen ist je ein Stromunterbrecher 15
bzw. 16 befestigt, deren jeder aus zwei diametral gegenüberliegenden Schleifringsektoren
besteht. In der Bahn eines jeden Unterbrechers sind zwei ebenfalls diametral gegenüberliegende
Bürsten angeordnet. Die Unterbrecher 15 bzw. 16 liegen in Reihe in. dem Zweig 17
einer Leitung 17, 18. 1g ist eine Stromquelle und 2o ein Eisendraht-Wasserstoff-Widerstand,
der zum Ausgleich von Spannungsschwankungen der Stromquelle 1g dient. 21 ist ein
hinter dem Eisendraht-Wasserstoff-Widerstand 2o zwischen den Leitungen 17 und 18
angeordneter Widerstand, der dazu dient, auch bei Unterbrechung der Leitung 17,
18 beim Umlauf der Unterbrecher einen Strom durch den Eisendraht-Wasserstoff-Widerstand
2o aufrechtzuerhalten und dadurch diesen auf der für seine Wirksamkeit erforderlichen
Temperatur zu halten. 22 ist ein Kondensator, der über einen Teil der Leitung 18
und den Widerstand 21 parallel zu den Unterbrechern 15, 16 liegt und zur Unterdrückung
der Unterbrecherfunken dient. _23 ist ein in der Leitung 17 liegender selbsttätiger
Schalter, dessen Erregerwicklung in Reihe mit der Wicklung 1o des Synchronmotors
11 liegt. Der Schalter 23 wird so eingestellt, daß er die Leitung 17 unterbricht,
sobald der Strom in der Wicklung 1o den zur Aufrechterhaltung der Bewegung des Ankers
12 erforderlichen Mindestwert unterschreitet. Es soll dadurch verhindert werden,
daß bei Außertriftfallen des Synchronmotors 11 infolge zu niedrigen Stromes noch
eine weitere Anzeige öder Übertragung stattfindet.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Einrichtung ist folgende: Die
gegenseitige Phasenverschiebung der über die Wandler 3 und g von der Spannung bzw,
dem Strom des Netzes 1, 2 abgeleiteten Ströme gibt ein Maß für den zu ermittelnden
Phasenwinkel oder die zu ermittelnde Funktion des Phasenwinkels. Der gegenseitigen
Phasenverschiebung der abgeleiteten Ströme entspricht auch die gegenseitige Phasenverschiebung
der von den abgeleiteten Strömen in den Synchronmotoren 5 und Ir hervorgerufenen
Wechselfelder. Synchron mit diesen Wechselfeldern bzw. im Takte mit diesen Wechselfeldern
laufen die Anker 6 und 12 der Synchronmotoren um. Die Wechselfelder der Synchronmotoren
mögen zunächst die gleiche Phasenlage haben und dann infolge einer Phasenverschiebung
zwischen Strom und Spannung des Netzes und der dadurch hervorgerufenen entsprechenden
Phasenänderung zwischen den abgeleiteten Strömen eine entsprechende Phasenverschiebung
erhalten. Das hat zur Folge, daß auch die Anker 6 und 12 eine gleiche gegenseitige
Phasenverschiebung erhalten.
_ Waren also die Anker 6 und iz vorher
so gelagert, daß beim Durchgang des Scheitelpunktes A des Ankers 6 durch die durch
die Ankerachse gelegte Lotrechte auch gleichzeitig der Scheitelpunkt B des Ankers
iz durch die durch die Achse des Ankers - gelegte Lotrechte ging, so wird bei dem
Auftreten einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Wechselfeldern der Synchronmotoren
der Anker 1z um einen bestimmten Betrag voreilen oder nacheilen. Es wird dann mit
der neuen Einstellung, wenn man den Zeitpunkt betrachtet, in dem der Scheitelpunkt
A des Ankers 6 durch die durch die Ankerachse gelegte Lotrechte geht, der Scheitelpunkt
B des Ankers ia um einen bestimmten Winkelweg von der durch die Achse des Ankers
12 gelegten Lotrechten entfernt sein, und zwar im Sinne einer Vor- oder Nacheilung.
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Die gegenseitigen. Lagenänderungen der An-ker 6 und 12 übertragen
sich entsprechend auf die mit den Ankern verbundenen Unterbrecher 15 bzw. 16. Man
kann die Unterbrecher z. B. so einstellen, daß, wenn der Leitungsfaktor des Netzes
1, z den Wert cos 99 = i besitzt, die Unterbrecher 15 und 16 phasengleich stehen,
also so, daß für die ganze Zeit, während der die Schleifringsektoren des Unterbrechers
15 unter den zugehörigen Bürsten hergleiten, auch die Schleifringsektoren des Unterbrechers
16 unter den zugeordneten Bürsten hergleiten. Bei dieser Anordnung wird dann bei
dem Wert cos p = i die Leitung 17 durch die Unterbrecher 15 und 16 für die
bei der betreffenden Anordnung und der Frequenz des Netzes größtmögliche Zeitdauer
geschlossen, während, sobald der Leistungsfaktor den Wert i unterschreitet, die
Dauer des Stromschlusses infolge der Änderung in der gegenseitigen Phasenstellung
der Unterbrecher 15 und 16 entsprechend geringer wird. Man kann somit die Einrichtung
unmittelbar als Impulsgebergerät zur Fernübertragung verwenden, wobei dann die Dauer
des einzelnen Stromimpulses bzw. das Verhältnis der Dauer des einzelnen Stromimpulses
zu der auf den Stromimpuls folgenden Pause ein eindeutiges Maß für den Wert des
ermittelten Phasenwinkels oder der Funktion des Phasenwinkels gibt. Die Leitung
17, 18 kann hierbei unmittelbar die Fernleitung sein. Es besteht selbstverständlich
auch die Möglichkeit, an die Leitung 17, 18 ein umlaufendes Meßwerk zu legen, z.
B. einen Amperestundenzähler, von dessen Drehbewegung die Betätigung eines Stromunterbrechers
abgeleitet wird.
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Um Änderungen des Fehlwinkels Nacheilung der Anker gegenüber dem Feld
der Synchronmotoren bei Schwankungen der den Motoren zugeleiteten Ströme zu vermeiden,
sind die Bremsscheiben 7 und 13 vorgesehen. Da die Erregerwicklungen 8 bzw. 14 der
Bremsmagnete von Strömen durchflossen werden, die den den Synchronmotoren zugeleiteten
Strömen proportional sind, so wird bei entsprechender Ausbildung der Bremsmagnete,
z. B. durch geeignet gewählte Sättigung derselben, erreicht, daß das ausgeübte Bremsmoment
der Stromstärke proportional ist. Den Änderungen des Triebmomentes der Synchronmotoren
stehen somit proportionale Änderungen des Bremsmomentes gegenüber. Das hat zur Folge,
daß Schwankungen der Stärke der den Motoren zugeleiteten Ströme keinen Einfluß auf
die Größe des Fehlwinkels der Synchronmotoren und damit auch keinen Einfluß auf
die gegenseitige Phasenlage der Anker 6 und iz ausüben können.