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Einrichtung zur Ermittelung des Wertes des Phasenwinkels oder einer
eindeutigen Funktion des Phasenwinkels, insbesondere zum Zwecke der Fernübertragung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung, die sich eines wattmetrischen
Meßgerätes mit umlaufendem Anker bedient, dessen Drehzahl ein eindeutiges Maß für
den Phasenwinkel oder eine eindeutige Funktion des Phasenwinkels zwischen zwei Strömen
oder Spannungen oder einem Strom und einer Spannung ist: Die Einrichtung kann in
Verbindung mit einem Zählwerk als Integrierwerk verwendet werden. Weiterhin kann
aber die Anordnung auch, indem man z. B. mit der Achse des umlaufenden Meßwerkes
einen Stromunterbrecher kuppelt, unmittelbar als Impülsgebergerät zur Fernübertragung
des Wertes des Phasenwinkels z. B. zum Zwecke der Fernmessung oder Fernregelung
dienen. Die Meßeinrichtung, besitzt zudem den Vorteil, daß man sie aus bereits in
der Meßtechnik vielfach verwendeten Geräten ohne wesentliche Änderung dieser Geräte
aufbauen kann.
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Bei der Anordnung nach der Erfindung wird in an sich bekannter Weise
von den hinsichtlich ihrer Phasenverschiebung interessierenden Größen (Ströme, Spannungen)
je ein Strom abgeleitet. Die abgeleiteten Ströme brauchen mit den Ursprungsgrößen
nicht in Phase zu sein. Voraussetzung ist jedoch, daß die gegenseitige Phasenverschiebung
der abgeleiteten Ströme ein eindeutiges Maß für den Phasenwinkel zwischen den Ursprungsgrößen
gibt. Erfindungsgemäß ist der eine der abgeleiteten Ströme über ein nach Art eines
Zählers gebautes wattmetrisches Meßgerät mit umlaufendem Anker und über eine nach
Art eines einfach und doppelt wirkenden mechanischen Gleichrichters, z. B. Pendelgleichrichters,
gebaute Steuereinrichtung geleitet, während der zweite abgeleitete Strom zur Erregung
der Steuereinrichtung dient und weiterhin Mittel vorgesehen sind, um Änderungen
der Amplitude bzw. des Wechselstromwertes des über die Steuereinrichtung dem wattmetrischen
Meßwerk zugeleiteten Stromes unwirksam zu machen oder zu kompensieren.
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Die Steuereinrichtung kann in ihrer Bauart vollkommen einem mechanischen
Gleichrichter entsprechen. Während jedoch bei einem mechanischen Gleichrichter der
Erregerstrom eine stets unveränderliche Phasenlage zu dem gleichzurichtenden Strom
besitzt, ist bei der in der neuen Meßeinrichtung verwendeten Steuereinrichtung die
Phasenlage des Erregerstromes zu dem zu steuernden Strom entsprechend den Änderungen
des Phasenwinkels zwischen den Ursprungsgrößen veränderlich.
Es
ist schon vorgeschlagen worden, zur Messung des Leistungsfaktors ein Wattmeter zu
verwenden in Verbindung mit die beiden Meßströme konstant haltenden Regeleinrichtungen.
Es sind demnach, bei dieser Ausführung zwei besondere Regeleinrichtungen zur Konstanthaltung
zweier Ströme erforderlich. Hinzu kommt, daß die beiden Regeleinrichtungen die gegenseitige
Phasenverschiebung der beiden konstant zu haltenden Ströme nicht ändern dürfen:
Die Erfindung bringt demgegenüber eine wesentlich einfachere Lösung, da sie es ermöglicht,
aus einem üblichen mechanischen Gleichrichter, z. B. Zungengleichrichter, und einem
normalen Gleichstromzähler, z. B. Amperestundenzähler, ohne besondere Änderungen
einen Phasenverschiebungszähler aufzubauen. Neben den in der Einfachheit des Aufbaues
beruhenden Vorzügen ergibt sich auf seiten des Erfindungsgegenstandes als weiterer
Vorteil eine besonders hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise diene das Schaubild nach Fig. i.
Die Kurve I gibt den zeitlichen Verlauf des in der Steuereinrichtung zu steuernden
Stromes an für den Fall, daß die Steuereinrichtung den Strom nicht beeinflussen
würde. Wie bekannt, würde bei Verwendung der Steuereinrichtung als Gleichrichter
die Umschaltung je-
weils in den Zeitpunkten des Durchganges der Stromkurve
durch die Abszissenachse erfolgen. In dem Schaubild sind diese Zeitpunkte durch
den Schnitt der Linien A1 A4 mit der Abszissenachse bestimmt. Bei einem einfach
wirkenden Gleichrichter werden die Halbwellen des Stromes oberhalb oder unterhalb
der Abszissenachse, z. B. die negativen Halbwellen, unterdrückt. Bei einem doppelt
wirkenden Gleichrichter werden hingegen die negativen Halbwellen mit den positiven
Halbwellen gleichgerichtet. Es sei zunächst für die folgende Erläuterung angenommen,
daß die Steuereinrichtung nach Art eines einfachen Gleichrichters gebaut sei. Die
Phasentage des Erregerstromes zu dem zu steuernden Strom möge zunächst derart sein,
daß die Umschaltung der Steuereinrichtung in den Zeitpunkten des Durchganges der
Stromkurve T durch die Abszissenachse, also in den Punkten erfolge, die durch die
Linien A, -A,
bestimmt sind. Es wird in diesem Fall durch die Steuereinrichtung
die negative Halbwelle des Stromes unterdrückt, also mit Bezug auf die Fig. i der
Teil der Stromkurve zwischen den Linien A1 und A" zwischen den Linien A3 und A4
usw. Die positiven Halbwellen des Stromes fließen in diesem Falle dem wattmetrischen
Gerät zu, dessen Drehzahl dem Integralwert des zugeleiteten Stromes entspricht.
Erfährt nunmehr die Phasen-Lage des Erregerstromes der Steuereinrichtung zu dem
in dieser zu steuernden Strom eine Änderung, so hat dies zur Folge, daß die Umschaltung
der Steuereinrichtung in anderen Zeitpunkten erfolgt, z. B. in den Zeitpunkten,
die durch den Schnitt der Linien BI-B4 mit der Abszissenachse bestimmt sind. In
diesem Fall wird dem wattmetrischen Gerät nicht mehr eine Stromhalbwelle gleicher
Richtung zugeleitet. Der zeitliche Verlauf des dein wattmetrischen Gerät zufließenden
Stromes ist vielmehr in diesem Fall durch den Abschnitt der Stromkurve zwischen
den Linien B2 und B3 bestimmt. Wie sich ohne weiteres ergibt, ist der Integralwert
dieses Kurventeiles kleiner als der Integralwert des Kurventeiles zwischen den Linien
A, und As. Infolgedessen wird auch die Drehzahl des. wattmetrischen Gerätes geringer
sein. Der jeweilige Integralwert des dem wattmetrischen Gerät zugeleiteten Stromes
ist mit Bezug auf das Schaubild in Fg. i eindeutig durch den Abstand V der Linien
B von den Linien A bestimmt: Dieser Abstand ist aber wiederum eindeutig von der
Phasenlage des Erregerstromes zu dem zu steuernden Strom abhängig. Es gibt somit
der Integralwert des dein Meßgerät zugeleiteten Stromes und damit auch die Drehzahl
des wattmetrischen Meßgerätes ein eindeutiges Maß für den Phasenwinkel zwischen
dem Erregerstrom der Steuereinrichtung und dem von dieser gesteuerten Strom. Da
die gegenseitige Phasenlage dieser Ströme aber ein Maß für den zu ermittelnden Phasenwinkel
abgibt, so bildet somit die Drehzahl des Meßgerätes ein eindeutiges Maß für den
zu ermittelnden Phasenwinkel oder die zu ermittelnde Funktion des Phasenwinkels.
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Es war bei obiger Erläuterung zunächst angenommen, daß die Steuereinrichtung
nach Art eines einfach wirkenden Gleichrichters gebaut sei. Bei einem doppelt wirkenden
Gleichrichter bleiben indessen die Verhältnisse im wesentlichen die gleichen. Es
werden lediglich auch die Abschnitte der Stromkurve zwischen den Linien A1 und A2,
A 3 und A,, bzw. zwischen den Linien Bi und B2, B3 und B4 auf das Meßgerät zur Wirkung
gebracht, wobei jedoch die Stromrichtung dieser Abschnitte durch die Wirkung der
Steuereinrichtung der Richtung, die sich aus dem Schaubild ergibt, entgegengesetzt
ist, so daß also z. B. der Stromkurvenabschnitt zwischen den Linien BI und B2 in
seiner Wirkung auf das Meßgerät den gleichen Verlauf hat wie der Stromkurvenabschnitt
zwischen den Linien B2 und B,. Es wird somit bei einem doppelt wirkenden Gleichrichter
dem wattmetrischen Meßgerät ein Strom zugeleitet, dessen Integralwert das Doppelte
des
Integralwertes des Stromes beträgt, der dem Meßgerät für einen
einfach wirkenden Gleichrichter zugeleitet wird.
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Bei obigen Erläuterungen war stillschweigend vorausgesetzt, daß die
Amplitude des dem Meßgerät zugeleiteten Stromes konstant ist oder daß Schwankungen
der Stromamplitude durch proportionale Schwankungen des auf den umlaufenden Anker
ausgeübten Bremsmomentes ausgeglichen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der letzteren Art ist in' der Zeichnung in
Fig. z veranschaulicht. Es ist angenommen, daß der Phasenwinkel zwischen dem Ström
und der Spannung eines Netzes 1, 2 oder eine eindeutige Funktion dieses Phasenwinkels
zu ermitteln ist. Als wattmetrisches Meßwerk ist ein nach Art eines Amperestundenzählers
gebautes Meßgerät verwendet, dessen Anker 3 als Flachanker ausgebildet ist. Der
Anker bewegt sich in einem durch Dauermagnete . hervorgerufenen Feld. Die gegen
den Kollektor anliegende Bürste 5 ist mit der- mittleren Anzapfung der Sekundärwicklung
eines in die Leitung 2 gelegten Stromwandlers 6 leitend verbunden. Die zweite Bürste
7 ist an den Schwingkontakt 8 einer nach Art eines doppelt wirkenden Pendelgleichrichters
gebauten Steuereinrichtung angeschlossen. Die dem Schwingkontakt zugeordneten Gegenkontakte
9 und io sind mit den Endklemmen der Sekundärwicklung des Stromwandlers 6 leitend
verbunden. Die zur Steuerung des Schwingkontaktes 8 dienenden Erregerwicklungen
1i sind an die Sekundärwicklung eines an das Netz 1, 2 gelegten Spannungswandlers
12 angeschlossen.
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Die Bremsscheibe 13 des wattmetxischen Meßgerätes steht unter dem
Einfluß von zwei Bremsmagneten, dessen einer 14 als Dauermagnet und -dessen
anderer 15 als Elektromagnet ausgebildet ist, dessen Erregerwicklung an die Sekundärwicklung
16 eines in die Leitung 2 gelegten Stromwandlers gelegt ist. Die Sekundärwicklungen
6 und 16 können selbstverständlich auch eine gemeinsame Primärwicklung besitzen
und somit mit dieser einen. einzigen Stromwandler bilden. Infolge der gewählten
Schaltung ist die Amplitude des durch die Erregerwicklung des Bremsmagneten 15 geleiteten
Stromes der Amplitude des von der Sekundärwicldung.6 gelieferten Stromes proportional.
Bei entsprechender Ausbildung des Elektromagneten 15, z. B. durch eine geeignet
gewählte Sättigung, läßt sich leicht erreichen, daß das auf die Scheibe 13 ausgeübte
Bremsmoment dem durch die Erregerwicklung des Elektromagneten 15 fließenden Strom
proportional ist. Infolgedessen werden Schwankungen der Amplitude des dem Anker
3 über die Bürsten 5 und 7 zugeleiteten Stromes durch proportionale Schwankungen
des auf die Bremsscheibe 13 ausgeübten Bremsmomentes ausgeglichen. Die Wirkungsweise
ist infolgedessen so, als ob die Amplitude des durch den Anker 3 geleiteten Stromes
konstant wäre. Die Drehzahl des Ankers 3 ist daher nur noch von den Änderungen des
Integralwertes des zugeleiteten Stromes abhängig, die durch die Phasenänderungen
zwischen dem durch die Wicklung 1i der Steuereinrichtung fließenden Erregerstrom
und den von der Steuereinrichtung gesteuerten Strom hervorgerufen werden. Die Änderungen
dieses Integralwertes bilden aber, wie oben näher dargelegt, ein eindeutiges Maß
für die Phasenverschiebung zwischen den über die Wandler 6 und 12 abgeleiteten Strömen
und damit auch für die Phasenverschiebung zwischen der Spannung und dem Strom des
'.Netzes 1, 2.
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Bei dem in der Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine besondere
Bremsscheibe 13 vorgesehen. Statt dessen kann auch die von den Zählern her bekannte
Anordnung eines normalen Flachankers mit Wirbelstromscheibe verwendet werden, wobei
der Flachanker in einem permanenten. Feld läuft und - in symmetrischer Lage zu diesem
der als Elektromagnet ausgebildete Bremsmagnet 15 angebracht wird.
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Die dargestellte Einrichtung bietet auch die Möglichkeit, in einfacher
Weise den Mittelwert mehrerer Phasenwinkel oder ihrer Funktionen zu bilden. -In
diesem Fall ist eine der Zahl der Phasenwinkel, aus denen der Mittelwert zu bilden
ist, entsprechende Anzahl von Steuereinrichtungen vorzusehen, die in gleicher Weise
gesteuert werden wie die dargestellte Steuereinrichtung 8, 9, io, i i. Die von diesen
Steuereinrichtungen gesteuerten Ströme können dem gleichen wattmetrischen Gerät,
z. B. in Anlehnung an die Darstellung nach Fig. 2, dem Anker 3 zugeleitet werden.
Für jeden der dem Anker 3 zugeleiteten Teilströme ist jedoch ein besonderer Bremsmagnet
vorzusehen, der von einem Strom erregt wird, dessen Amplitude dem dem Anker 3 zugeleiteten
Teilstrom proportional ist und der ein seinem Erregerstrom proportionales Bremsmoment
ausübt: Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig.3 veranschaulicht.
Als wattmetrisches Meßgerät dient bei diesem Ausführungsbeispiel ein nach Art eines
Gleichstromkilowattstundenzählers gebautes Gerät. Der Anker 2o des Gerätes ist in
der von den Zählern her bekannten Weise als Flachanker mit Bremsscheibe ausgebildet
und läuft in einem Feld, dessen Erregerspulen mit 21 und 22 bezeichnet sind. Durch
den
die Feldspulen 21 und 22 durchfließenden Strom wird gleichzeitig
auch durch Erzeugung von Wirbelströmen in der mit dem Anker 20 verbundenen Bremsscheibe
das Bremsmoment ausgeübt, und zwar sind die Spulen 21 und 22 so angeordnet, daß
das Bremsmoment dem die Spulen 21 und 22 durchfließenden Strom quadratisch proportional
ist. Die Spulen 21 und 22 werden über einen Pendelgleichrichter 23 mit Gleichstrom
gespeist. Der Pendelgleichrichter 23 ist an die Sekundärwicklung des an das \Tetz
1, 2 gelegten Spannungswandlers 2.4 angeschlossen. 25 ist eine Steuereinrichtung,
die in ihrer Wirkungsweise und Schaltung der bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.
2 verwendeten Steuereinrichtung entspricht. Abweichend von der Schaltung nach Fig.
-2 ist jedoch die Erregerwicklung der Steuereinrichtung 25 an die Sekundärwicklung
des in die Leitung 2 gelegten Stromwandlers 26 angeschlossen, während der von der
Steuereinrichtung 25 gesteuerte und über die Bürsten 2; und@8 dem Anker zugeleitete
Strom aus der Sekundärwicklung des Spannungswandlers 24 entnommen wird. Die Wirkungsweise
der Steuereinrichtung 25 entspricht jedoch auch in diesem Falle der Wirkungsweise
der bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 verwendeten Steuereinrichtung. 29 ist
ein mit der Achse des Ankers 2o verbundener Stromunterbrecher, der in der Leitung
3o liegt, die unmittelbar die Fernleitung sein kann.
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Wie sich aus der Darstellung ergibt, ist die Amplitude des durch die
Feldwicklungen 21 und 22 und des durch den Anker 2o fließenden Stromes der Spannung
auf der Sekundärseite des Spannungswandlers 24. proportional. Da das Bremsmoment
dem durch die Wicklungen 21 und 22 fließenden Strom quadratisch proportional ist,
so werden infolgedessen Spannungsschwankungen auf der Sekundärseite des Wandlers
24 und die dadurch hervorgerufenen Änderungen in der Amplitude der durch den Anker
20 und die Feldwicklungen 21 und 22 fließenden Ströme in ihrer Wirkung auf die Drehzahl
des Ankers durch entsprechende Änderungen des Bremsmomentes ausgeglichen. Es ist
folglich die Drehzahl des Ankers lediglich von den Schwankungen des Integralwertes
des zugeleiteten Stromes abhängig, die durch Änderungen der Phasenlage des Erregerstromes
der Steuereinrichtung 25 gegenüber dem von der Steuereinrichtung 25 gesteuerten
Strom hervorgerufen werden. Da diese Änderungen der Phasenlage aber -wiederum eindeutig
durch die Änderungen des Phasenwinkels zwischen der Spannung und dem Strom des Netzes
1, 2 bedingt sind, so gibt somit die Drehzahl des Ankers 2o ein eindeutiges Maß
für den zu ermittelnden Phasenwinkel oder die zu ermittelnde Funktion des Phasenwinkels.
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Sowohl bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wie auch bei dem nach
Fig.3 kann man leicht durch Anwendung bekannter Kunstschaltung die Phasenverschiebung
der abgeleiteten Ströme so wählen, daß das auf den umlaufenden Anker ausgeübte Drehnionient
Null wird, «wenn der Phasenverschiebungswinkel zwischen den Ursprungsgrößen Null
ist. Man kann auf diese Weise erreichen, daß der umlaufende Anker sich bei einem
positiven Wert des Phasenwinkels in der einen Richtung und bei einem negativen Wert
des Phasenwinkels in der anderen Richtung dreht. Um die verschiedene Drehrichtung
des Ankers auch durch die Impulshäufigkeit zum Ausdruck zu bringen, kann man z.
B. in bekannter Weise die Anordnung so treffen, daß man der Bürste, die gegen die
Lamellen des mit der Ankerachse gekuppelten Stromunterbrechers anliegt, durch Kupplung
mit einem Antrieb konstanter Drehzahl eine Relativdrehung bezüglich des Stromunterbrechers
erteilt.