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Kreuzspulinstrument zur Registrierung, insbesondere Oszillographierung
von Phasenverschiebungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Kreuzspulinstrument
zur Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen Wechselspannungen
oder zwischen zwei elektrischen Wechselströmen oder zwischen einer Spannung und
einem Strom.
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Zur direkten Messung der Phasenverschiebung zwischen zwei elektrischen
Wechselströmen benutzt man vorwiegend Kreuzspulinstrumente, auch cos (p-Messer genannt,
bei denen der eine Strom einer gewöhnlichen Drehspule, der andere zwei festen Spulen
zugeführt wird, deren magnetische Achsen etwa senkrecht aufeinander stehen (Kreuzspule).
Die Ströme in den gekreuzten Spulen müssen eine Phasenverschiebung von etwa go°
haben; dies wird bei Einphasenstrom durch Vorschalten einer Drosselspule, vor eine
der Spulen, bei Drehstrom durch Anschluß der Spulen an verschiedene Phasen erreicht.
Manchmal ist auch die einfache Spule fest und die Kreuzspule beweglich angeordnet.
Durch die in der Kreuzspule fließenden phasenverschobenen Ströme wird ein magnetisches
Drehfeld erzeugt.
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Die bewegliche Spule besitzt keinerlei mechanische Richtkraft (Spiralfeder
o. dgl.). Durch die magnetische Wirkung der Ströme stellt sich die bewegliche Spule
in einem bestimmten Winkel zur festen Spule ein, der nur von der gegenseitigen Phasenverschi.ebung
der Ströme, nicht aber von der Stromstärke abhängt.
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Alle bisher bekannten Kreuzspulinstrumente dieser Art haben die Eigenschaft,
daß in einem bestimmten Augenblick das von den Strömen erzeugte Magnetfeld räumlich
so verteilt ist, daß es einen Nordpol und einen Südpol hat. Dieses Magnetfeld rotiert
mit der Frequenz des Wechselstroms; bei einem Wechselstrom von 5o Per./sek. läuft
es z. B. in jeder Sekunde 5omal um. In der bei elektrischen Maschinen üblichen Terminologie
nennt man eine solche Ausführung zweipolig.
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In der Praxis kommen Phasenverschiebungen von go° Voreilung bis go°
Nacheilung vor. Diesen elektrischen Winkeln entspricht bei einer zweipoligen Ausführung
ein gleich großer räumlicher Winkel, also + 9o° bis - go°. Solange die Phasenverschiebung
kpnstant bleibt oder sich nur langsam ändert, genügen zur Messung die normalen Zeigerinstrumente.
Es gibt aber auch Fälle, in denen die Phase sich rascher verschiebt, als das Auge
dem Zeiger folgen kann, so daß eine Registrierung erforderlich ist. Setzt man etwa
zu diesem Zweck statt des Zeigers einen Spiegel auf die Achse, um damit einen von
einer Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahl ;.u reflektieren und mit diesem Strahl
lichtempfindliches Papier zu schwärzen, so zeigt sich, daß dieser einen Winkel +
18o° bis - z8o°
bestreicht, wenn der Phasenversehiebungswinkel von
-f- go° bis - go° geht. Es 'ist also nicht möglich, hierbei den reflektierten Lichtstrahl
mit einem endlichen ebenen Papier=. streifen aufzufangen; auch dann nicht, wig riü..
man sich auf nur go° Gesamtbereich des ; Phasenwinkels beschränkt.
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Es ist nun doch gelungen, einwandfrei auch sich schnell ändernde Phasenverschiebungen
zu registrieren bzw. zu oszillographieren. Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck
die Wicklung eines Kreuzspulinstrumentes der oben gekennzeichneten Art mehrpolig
ausgebildet. Der Ausschlagwinkelwird umsö kleiner, je größer die Zahl der Pole ist.
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Es ist bei ferromagnetischen Ouotientenmessern mit Weicheisennadel
bereits- bekannt, zur Verringerung des Ausschlagwinkels gegebenenfalls Wicklung
und Nadel mehrpolig auszuführen. Diese Anordnung ist für den vorliegenden Zweck
unbrauchbar, da Phasenverschiebungen mit einem solchen Instrument nicht ohne weiteres
gemessen werden können.
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Es ist zwar bekannt, mit Quotientenmessern auf dem Umweg über die
Wirkleistung und die Blindleistung die Phasenverschiebung zu messen und zu registrieren,
sofern die Änderungen der Phasenverschiebungen sich innerhalb eines Quadranten bewegen.
Bekannte Anordnungen dieser Art sind aber nicht mehrpolig ausgebildet und 'können
infolge der Eigenart der verwendeten Meßgeräte auch nicht mehrpolig ausgebildet
werden. Phasenverschiebungen beliebiger Größe können damit also nicht registriert
werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. Abb. i zeigt ein
Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens im Querschnitt. Die feststehende Wicklung
ist eine 22polige Zweiptasenwicklung, die bewegliche eine einfache schmale Drehspule.
Der Strang a der feststehenden Zweiphasenwicklung ist auf der inneren Mantelfläche
des Hohlzylinders c angebracht, der Strang b auf der äußeren Mantelfläche des Zylinders
d. Strang a und b werden mit phasenverschobenen Strömen beschickt; am besten ist
es, wenn die Phasenverschiebung go° beträgt, damit annähernd ein magnetisches Kreisdrehfeld
entsteht. Zwischen den beiden Strangwicklungen ist die Drehspule e angeordnet, damit
sie mit diesen magnetisch gleich gut verkettet ist. Der Drehspule wird der Strom
in bekannter Weise über zwei dünne Bänder von äußerst kleiner Richtkraft zugeführt.
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Wenn der Ausschlag der Drehspule immer genau der Phasenverschiebung
proportional sein soll, dann muß die magnetische Feldstärke, die jede der stromführ"enderL-.Sträng=
Wicklungen in dem Spalt erzeugt;,lin-.dein sich die Drehspule bewegt, in Richtung
des Umfangs sinusartig von Pol zu Pol variieren oder anders ausgedrückt: Das erzeugte
Drehfeld muß ein reines I<üeisdrehfeld sein. Dies läßt sich zusammen #ri jt den
obenerwähnten Maßnahmen durch geeignete Formgebung des Wicklungsquerschnitts der
Strangwicklungen erreichen.
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Bei dem in Abb. i gezeichneten 22poligen System entspricht ein elektrischer
Winkel von -I- go° einem räumlichen Drehwinkel von -h- 8'. Der reflektierte
Strahl bestreicht jetzt also einen Winkel von -I- 16°. Bei einem Abstand des lichtempfindlichen
Papiers vom Instrument von 30 cm benötigt man so eine maximale Papierbreite
von 17 cm. Bei den üblichen Oszillographen ist,die, Papierbreite 12 cm bei einem
Abstand von ioo cm. Will man demnach die Phasenverschiebung zusammen mit anderen
Vorgängen (Spannung, Strom, Leistung) oszillographisch aufnehmen, so darf die Drehspule
nur eine räumliche Winkeldrehung von -% etwa 1,7° ausführen, was einem 5opoligen
System entspräche..
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Da ein solches System, das natürlich sehr klein sein muß, um raschen
Schwankungen der Phasenverschiebung exakt folgen zu können, nicht ganz einfach herzustellen
ist, kann man statt dessen den Winkelweg des reflektierten Lichtstrahls auf optische
Weise weiter verkleinern, wie Abb. 2 als Beispiel zeigt.
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Es sei f das System mit dem Spiegel g, la die Lichtquelle. Zwischen
dem Spiegel g und dem lichtempfindlichen Papier i mit der üblichen Zylindersammellinse
h befindet sich eine weitere Linse l (sphärisch oder besser auch zylindrisch mit
Achse senkrecht zu k), deren Abstand vom Spiegel kleiner ist als ihre Brennweite,
so daß der gezeichnete Strahlengang entsteht. Zwischen Lichtquelle und Spiegel ist
ein schmaler Spalt m in solcher Entfernung angebracht, daß er auf das lichtempfindliche
Papier scharf abgebildet wird. Wie man aus dem gezeichneten Strahlengang ersieht,
kann man den Winkel ß, den der von der Linse abgehende Lichtstrahl mit der Hauptachse
bildet, zu einem beliebig kleinen Bruchteil des Winkels a machen, den der auftreffende
Lichtstrahl mit der Hauptachse bildet.
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Da die Zweiphasenwicklung nur in der Umgebung der Drehspule ausgenutzt
wird, ist es nicht erforderlich, die ganze Wicklung auszuführen; es genügt vielmehr,
wenn einige Spulen jedes Strangs in der Nähe der Drehspule vorhanden sind. Statt
der Zweiphasenwicklung kann selbstredend auch eine Drei- oder Mehrphasenwicklung
verwendet werden.
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. der festen Wicklungen können ads Isoliermaterial oder aus lamelliertem
Metall
bestehen; die Wicklungen können auch wie bei elektrischen
Maschinen in Nuten von Eisenblechen eingebettet sein.
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Das beschriebene vielpolige Kreuzspulinstrument eignet sich, besonders
in Verbindung mit einem Hilfssynchrongenerator, zur oszillographischen Aufzeichnung
des Polradwinkels von gekuppelten Synchronmaschinen bei Ausgleichsvorgängen. Es
wird dabei die Phasenverschiebung zwischen der Spannung der Hauptmaschine und der
des mechanisch starr mit -der Hauptmaschine gekuppelten Hilfsgenerators gemessen.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens beschränkt sich nicht auf die
Kreuzspulinstrumente mit beweglicher Spule, sondern umfaßt auch die sogenannten
Kreuzei.seninstrumente, bei denen alle Spulen fest sind und das bewegliche Organ
von einem 1-förmigen Weicheisenblättchen gebildet wird.