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Meßanordnung für Wechselstrom mit einem ein Gleichstrommeßgerät enthaltenden
Meßstromkreis und zwei fremderregten Synchronschaltern Die Erfindung bezieht sich
auf eine Meßanordnung für Wechselstrom mit einem ein Gleichstrommeßgerät enthaltenden
Meßstromkreis und zwei fremderregten Synchronschaltern. Das Meßgerät dient dazu,
den vollständig gleichgerichteten Wechselstrom oder herausgeschnittene Teile einer
Periode zur Anzeige zu bringen. Der Vorteil dieser bekannten Meßanordnung besteht
in der Hauptsache in der großen Empfindlichkeit, die es ermöglicht, auch noch Wechselstrom-
oder Spannungswerte genau zu messen, die mit den wesentlich unempfindlicheren Wechselstrommeßinstrumenten
nicht mehr erfaßt werden können. Die bisher bekannten Anordnungen haben jedoch den
Nachteil, daß sie stets nur für beschränkte Zwecke verwendet werden können, so daß
z. B. die Ausrüstung eines Laboratoriums mit solchen Meßinstrumenten einen erheblichen
Geldaufwand erfordern würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und eine
Meßanordnung der oben gekennzeichneten Art zu schaffen, die möglichst viel verschiedenartige
Messungen ermöglicht und praktisch nahezu als Universalwechselstromgerät angesehen
werden kann.
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Erfindungsgemäß können die Schaltkontakte der Synchronschalter wahlweise.
in den Meßstromkreis geschaltet werden und sind die beliebig einstellbaren Erregerphasen
um go ° gegeneinander verschoben. Ein solches Gerät kann man zunächst einmal zur
Strom- oder Spannungsmessung benutzen, indem man einen der beiden Synchronschalter
vor das Meßinstrument schaltet und die Erregerphase so lange verschiebt, bis der
angezeigte Wert ein Maximum bildet. Man kann auch zur genaueren Einstellung die
Erregerphase so einstellen, daß das Meßinstrument auf - seinen Nullwert einspielt,
und dann beide Synchronschalter miteinander vertauschen. Da die Erregerphasen beider
Synchronschalter genau um go ° gegeneinander verschoben sind, zeigt das Instrument
dann seinen maximalen Ausschlag. Man kann die Meßanordnung weiter dazu verwenden,
um Phasenwinkel zu ermitteln. Will man z. B. den Phasenwinkel zweier Spannungen
gegeneinander feststellen, dann schaltet man zunächst die eine Spannung über den
Schaltkontakt eines der Synchronschalter auf das. Meßinstrument und verschiebt die
Erregerphase des Synchronschalters so lange, bis das Instrument Null anzeigt. Danach
schaltet man die zweite Spannung ein und verschiebt den Phasenschieber wiederum
bis zur Nullanzeige des Instrumentes. Ist nun die Skala des Phasenschiebers in Graden
geeicht, dann kann man aus der Differenz seiner beiden Einstellungen
unmittelbar
den Phasenwinkel der beiden Spannungen ablesen. Ebensogut kann man natürlich die
Wirk- und Blindkomponenten eines Wechselstromes bestimmen. Dabei braucht man z.
B. nach Ablesen der Wirkkomponente lediglich die beiden Synchronschalter miteinander
zu vertauschen, um unmittelbar danach ohne weitere Einstellung die Blindkomponente
ablesen zu können.
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Zur Erregung der Synchronschalter, die z. B. zweckmäßig als mechanische
Zungengleichrichter ausgebildet sind, benutzt man vorteilhaft einen Drehtransformator,
der primär und sekundär eine Dreiphasenwicklung trägt und primär mit Drehstrom erregt
wird. Die Sekundärwicklung wird zweckmäßig in Sternschaltung ausgeführt, so daß
die Erregung eines der beiden Synchronschalter unmittelbar aus einer Phase entnommen
werden kann, während der andere Synchronschalter zweckmäßig mit der verketteten
Spannung der beiden anderen Phasen erregt wird. Der drehbare Teil des Phasenschiebers
wird zweckmäßig mit einem Zeiger versehen, der über einer nach Winkelgraden der
Phasenverschiebung geeichten Skala spielt. Natürlich kann auch die Skala an dem
drehbaren Teil befestigt sein und eine feststehende Zeigermarke verwendet werden.
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Es ist bereits eine Meßanordnung für Wechselstrom mit einem ein Gleichstrommeßgerät
und zwei fremderregte Synchronschalter enthaltenden Meßstromkreis bekanntgeworden.
Dabei sind die beiden Synchronschalter aber nicht wahlweise einschaltbar angeordnet,
sondern beide dauernd in den Meßstromkreis eingeschaltet und in der Phase um =8o°
gegeneinander verschoben. Ein als Stromquelle dienender Phasenschieber dient dazu,
die Unterbrechungen auf die richtige Phase einzustellen.
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Diese bekannte Anordnung gestattet nur die Ausführung einer einzigen
bestimmten Art von Messungen, während es bei dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung
durch die wahlweise einschaltbare Anordnung von zwei um go° in der Phase gegeneinander
verschobenen Synchronschaltern möglich ist, nacheinander in schneller Aufeinanderfolge
eine Reihe verschiedenartiger -Messungen auszuführen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Meßanordnung gemäß der Erfindung ist in
der Fig. i dargestellt. Mit R, S und T sind die Primärphasen des einen Drehtransformator
speisenden Netzes bezeichnet. R', S' und T' sind die sekundären Phasen desselben
Transformators, deren Stellung gegenüber dem primären Erregerfeld mit Hilfe eines
Zeigers i und einer den ganzen Kreis umfassenden Gradskala a abgelesen werden kann.
Mit 3 und q. sind die beiden Synchronschalter bezeichnet. Der Synchron-Schalter
3 wird aus der Phase S' über einen Widerstand 5 erregt, während der Synchronschalter
q. von der verketteten Spannung der Phasen R' und ' über einen Widerstand
6 erregt wird. Die Widerstände 5 und 6 sind so bemessen, daß den Erregerwicklungen
beider Synchronschalter die gleiche Energie zugeführt wird, vorausgesetzt natürlich,
daß gleichartige Synchronschalter zur Verwendung gelangen. Mit 7 ist ein empfindliches
Gleichstrommeßgerät bezeichnet, das mit Hilfe eines Schalters 8 wahlweise über die
Schaltkontakte der Synchronschalter 3 oder q. an die zum Anschluß der zu messenden
Spannung oder des zu messenden Stromes dienenden Klemmen g und =o geschaltet werden
kann. Ein parallel zum Meßinstrument 7 und den Schaltkontakten angeordneter Widerstand
=i soll die Schaltkontakte gegen Beschädigungen beim Öffnen des Stromkreises schützen,
während ein veränderlicher Widerstand =z der Einstellung einer gewünschten Empfindlichkeit
dient.
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Die Wirkungsweise der in der Zeichnung schematisch dargestellten Anordnung
geht aus den vorausgegangenen Ausführungen bereits eindeutig hervor. Es ist ohne
weiteres klar, daß man mit Hilfe des Schalters 8 wahlweise die Schaltkontakte entweder
des Synchronschalters 3 oder des Synchronschalters q. vor das Meßinstrument 7 schalten
kann, so daß die Schaltphase auf diese Weise bequem jederzeit um go° verschoben
werden kann. Dadurch wird, wie bereits oben erläutert, nicht nur eine genaue Ablesung
des Maximalwertes nach vorangegangener Nulleinstellung, sondern auch die bequeme
Ablesung von Wirk-Blind-Strom bzw. Wirk-Blind-Spannung ermöglicht.
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An Stelle des in der Zeichnung dargestellten einzigen Gleichstrominstrumentes
7 kann man ebensogut auch zwei Gleichstrominstrumente verwenden, die unmittelbar
in Reihe mit je einem der Schaltkontakte der Synchronschalter 3 oder q. geschaltet
sind. Dann kann der Umschalter 8 ganz fortfallen. Man kann vielmehr die von ihm
nur wahlweise verbundenen Punkte ständig fest miteinander in Verbindung bringen.
In diesem Fall wird die Ablesung insofern erleichtert, als ein Umschalten nicht
mehr erforderlich ist. Man kann viehmehr z. B. das in dem Kreis des Synchronschalters
3 liegende Meßinstrument durch Verstellen des Phasenschiebers auf Null einstellen
und dann unmittelbar von dem im Kreis des Synchronschalters 4. liegenden Instrument
den Maximalwert ablesen bzw. an dem einen Instrument den Wirkstrom oder die Wirkspannung
und an dem anderen Instrument ohne weitere Umschaltung den Blindstrom bzw. die Blindspannung.
Im allgemeinen wird man jedoch z,#veckmäßig nur ein einziges Gleichstrominstrument
benutzen, schon um die Kosten
für ein weiteres Instrument zu sparen
und um auch nicht genötigt zu sein, zwei Instrumente sorgfältig aufeinander abzugleichen.
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Die in der Zeichnung (Fig.7) dargestellte Schaltung eignet sich besonders
für magnetische Messungen, nämlich für die Bestimmung des Magnetisierungsstromes,
der Induktion, des Leerlaufwinkels und auch der Blind- und Wirkkomponente des Magnetisierungsstromes.
Besonders zweckmäßig kann man die Anordnung für eine derartige Messung durch ein
Schaltgerät ausbilden, über welches die Meßanordnung, z. B. in der in Fig. 2 dargestellten
Weise durch Verschieben der mechanisch gekuppelten Kontakte K, bis K3, mit dem Primär-
oder Sekundärkreis des zu prüfenden Kernes so verbunden werden kann, daß zweckmäßig
ohne Anwendung weiterer Schaltmittel die oben angegebenen Messungen bei schrittweiser
Betätigung des Schaltgerätes fortlaufend ausgeführt werden können. Dabei läßt sich
die für eine solche Messung benötigte Zeit auf ein Mindestmaß verringern, wenn man
in folgender Weise vorgeht. In der Ausgangsstellung des Schaltgerätes ist über die
mit Sh bezeichneten Klemmen ein im Primärkreis eines zu messenden magnetischen Kernes
angeordneter Shunt zwischen die Klemmen 9. und io geschaltet und gleichzeitig das
Meßinstrument 7 über den Synchronschalter 3 an die Klemmen 9 und io angeschlossen.
Jetzt wird der Phasenschieber so länge verschoben, bis das Meßinstrument 7 einen
Maximalausschlag zeigt, der dem Magnetisierungsstrom des Prüfkernes entspricht.
Nun-
mehr wird das Schaltgerät um einen Schritt weitergeschaltet. Dadurch
werden die Synchronschalter 3 und q. vertauscht, so daß nunmehr das Meßinstrument
7 über den Synchronschalter q. an den Klemmen 9 und io liegt. Gleichzeitig wird
über die Klemmen Sw die Sekundärwicklung des Prüfkernes an die Klemmen 9 und io
gelegt. Derjenige Winkelweg, der jetzt erforderlich ist, um den Phasenschieber so
weit zu verstellen, bis das Meßinstrument 7 seinen Nullwert -anzeigt, entspricht
dem Leerlaufwinkel des Prüfkernes. Tauscht man nun in der dritten Stellung des Schaltgerätes
wiederum den Synchronschalter q. gegen den Synchronschalter 3 aus, dann entspricht
der Ausschlag des Meßinstrumentes 7 dem MaXimalwert der Induktion. In der vierten
Stellung des Schaltgerätes wird an die Klemmen 9 und io wiederum der Shunt gelegt
und danach die Wirkkomponente des Magnetisierungsstromes abgelesen. In der fünften
Stellung des Schaltgerätes werden schließlich wiederum beide Synchronschalter gegeneinander
vertauscht, so daß die Blindkomponente des Magnetisierungsstromes angezeigt wird.
Man -kann nun entweder die Stellungen des Schaltgerätes über einen Kreis verteilen,
so daß bei Weiterführung des Schalters in gleichem Sinne eine neue Messung unmittelbar
beginnen kann. Man kann ebensogut aber auch das Schaltgerät über die.vorher durchlaufenen
Stellungen zurück in seine Ausgangsstellung führen.
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Es ist zweckmäßig, zur Erzielung einer gemeinsamen Skala für den Magnetisierungsstrom
und die Induktion den Querschnitt des zu prüfenden Kernes, die Windungszahl von
dessen Wicklung, den Widerstand des Shunts und die Konstante des Instrumentes entsprechend
aufeinander abzustimmen.
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Werden, wie oben beschrieben, an Stelle des einen Meßinstrumentes
7 -zwei Meßinstrumente benutzt, dann kommt man, wie sich ohne weiteres ergibt, mit
drei Schaltstellungen für die angegebenen fünf Meßwerte aus, weil nämlich die Meßwerte
a und 3 einerseits und q. und 5 anderseits in der gleichen Schalterstellung auf
den beiden Meßgeräten nebeneinander abgelesen werden können.
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Es ist- bereits vorgeschlagen worden, die Reihenschaltung von zwei
Synchronschaltern, deren Erregerphasen um nahezu i8o ° gegeneinander verschoben
sind, in Verbindung mit einem Gleichstrominstrument zu benutzen, um den Verlauf
einer beliebig geformten, jedochin regelmäßigen Zeitabständen sich wiederholenden
Strom- oder Spannungskurve punktweise aufzuzeichnen. Auch für diesen Zweck kann
der Erfindungsgegenstand ohne weiteres verwendet werden, da er alle dafür benötigten
Teile enthält: Es ist lediglich notwendig, diese Teile in anderer Weise aneinanderzuschalten.
Zweckmäßig benutzt man auch dafür ein alle Teile gleichzeitig schaltendes Organ,
das mit Rücksicht auf den verhältnismäßig seltenen Gebrauch z. B. die Form eines
Verbindungssteckers mit einer Vielzahl von Steckerstiften haben kann. Mit Hilfe
eines solchen Verbindungssteckers, der der Übersichtlichkeit halber mit den erforderlichen
Stromverbindungen nicht dargestellt ist, kann man die in der Fig. = schematisch
angegebenen Teile ohne weiteres gemäß Fig.3 schalten. Man ordnet zweckmäßig lediglich
noch einen Potentiometerwiderstand 13 an, der an die verkettete Spannung der beiden
Phasen R' und T' gelegt werden kann. Der mittlere Teil dieses Potentiometerwiderstandes
ist mit einem möglichst stetig arbeitenden veränderlichen Abgriff versehen, über
den die Erregerwicklung eines der beiden Synchronschalter mit dem Sternpunkt verbunden
ist, während der andere Synchronschalter unverändert aus der Phase S' gespeist wird.
Dieser stetige Abgriff auf dem Potentiometer dient dem Zweck, zunächst die Erregung
beider Synchronschalter auf genau i8o ° Phasenverschiebung, einstellen zu können.
Schaltet man nämlich eine beliebige Spännungsquelle an die Klemmen 9 und
io, dann wird, das
Meßinstrument 7 keinen Ausschlag mehr zeigen,
wenn die Erregerphasen beider Synchronschalter um genau 18o° verschoben sind. Ausgehend
von dieser 18o° betragenden Phasenverschiebung kann. man nun einen Streifen gewünschter
Breite aus der aufzunehmenden Kurve herausschneiden, indem man mehr oder minder
große Teile des Potentiometers überbrückt. Um mit verschiedenen Streifenbreiten
arbeiten zu können, sind mehrere Stöpselkurzschließer i¢, 15 mit voneinander verschiedenem
Widerstand vorgesehen. Man kann die Zahl natürlich beliebig hoch wählen und ist
nicht auf das im Ausführungsbeispiel angegebene Paar beschränkt. Nachdem man auf
die oben beschriebene Weise das Gerät für eine Aufnahme vorbereitet hat, führt man
dem Meßkreis die punktweise aufzunehmende Spannung bzw. eine dem punktweise aufzunehmenden
Strom entsprechende Spannung zu und dreht den Phasenschieber schrittweise um z.
B. stets gleich große Schritte, deren Größe der gewünschten Genauigkeit entsprechend
gewählt wird, wobei man vor bzw. nach jedem Schritt einmal die Stellung des Instrumentes
7 abliest. Die so abgelesenen Werte werden in ein vorbereitetes Koordinatennetz
eingetragen und geben bei ihrer Verbindung durch einen Linienzug die gewünschte
Kurve. Die Streifenbreite wählt man zweckmäßig etwa entsprechend --
bis io
° Phasenverschiebung, und zwar wieder ebenfalls mit Rücksicht auf die gewünschte
Genauigkeit, vorausgesetzt natürlich, daß das Meßinstrument 7 hinreichend empfindlich
ist, um bei einem schmalen Streifen noch wenigstens annähernd seinen Vollausschlag
zu erreichen.
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Mit den oben erläuterten Ausführungsbeispielen sind die Anwendungsmöglichkeiten
des Erfindungsgegenstandes natürlich noch nicht erschöpft. Man kann das Gerät z.
B. auch noch benutzen zur Leistungsmessung bis zu den größten Verschiebungswinkeln,
zur Messung sehr kleiner Ohmscher Widerstände, zur Messung des Eigenverbrauches
von Wandlern, zur Messung der Streuinduktivität von Wicklungen, z. B. insbesondere
der Sekundärwicklungen von Wandlern, zum Abtasten von Streufeldern in der Luft nach
Größe und Richtung, zur Kapazitäts- und Iuduktivitätsmessung, zur Messung der Fehlwinkel
an Ohmschen Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten, zur Messung der dielektrischen
Verluste während der Hochspannungsbeanspruchung des Dielektrikums, zur Form- und
Scheitelfaktormessung und zur Messung der Stromverdrängungsverluste.