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Anordnung zur Messung der Leistung oder des Phasenwinkels eines Verbrauchers
' bzw. der Frequenz einer Wechselspannung In dem Hauptpatent 623 274 ist eine Gleichrichterschaltung
für Wechselstrommessungen beschrieben, bei der mehrere Gleichrichter mit im Arbeitsgebiet
im wesentlichen geradliniger Kennlinie in einer Brücke angeordnet sind und diese
Brücke gleichzeitig von zwei synchronen Spannungen derart gespeist wird, claß sowohl
die Summe als auch die Differenz beider Spannungen gleichgerichtet wird. Mit dieser
Schaltung läßt sich die Größe und Phase der einen Spannung (Meßspannung) in bezug
auf die andere Spannung (Hilfsspannung) bestimmen.
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Die Erfindung betrifft einige spezielle Anwendungen dieser Schaltung
für die Messung Gier Leistung oder des Phasenwinkels eines Verbrauchers bzw. für
die Messung der Frequenz einer Wechselspannung. Die erfindungsgemäße Anordnung zur
Messung der Leistung oder des Phasenwinkels eines Verbrauchers ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Verbraucher in das eine von zwei Netzwerken eingeschaltet ist, die von einer
gemeinsamen Stromduelle mit konstanter Spamiung gespeist werden, und von denen das
andere N,' etzwerk eine Ausgangsspannung von bekannter bzw. veränderbarer Phase
liefert, und daß die Ausgangsspannungen der beiden Netzwerke einer Gleichrichterbrücke
nach Patent 623274 zugeführt werden, derart, daß die eine Ausgangsspannung als Hilfsspannung
und die andere Ausgangsspanung als Meßspannung dient.
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Zweckmäßig wird ein Netzwerk mit konstantem I'liasenwinkel vorgesehen,
um durch die Größe des Ausschlages am Instrument Unmittelbar die Differenz des Phasenwinkels
der Netzwerke zu erhalten. Es kann auch ein Netzwerk mit veränderbarer Pliase vorgesehen
werden, wobei diese so lange verändert wird, bis die den beiden Netzwerken entnomnienen
Spannungen eine Phasenverschiebung von o oder 9o° entsprechend Maximal- oder Nullausschlag
des bekannten Netzwerkes ein Maß für den zu bestimmenden Phasenwinkel abgibt.
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'Wird ein Netzwerk mit eindeutig von der Frequenz der angelegten Spannung
abhängigern
Phasenwinkel vorgesehen, so wird die Frequenz so lange
geändert, bis die den beiden Netzwerken entnommenen Spannungezi; eine Phasenverschiebung
von o oder 9o° sprechend Maximal- oder Nullausschlag ele1, Instruments aufweisen,
wobei sich der zu niiü sende Phasenwinkel aus dem des bekannten` von der Frequenz
abhängigen Netzwerkes ergibt.
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Der Phasenvergleich zweier NTTetzwerke kann auch zur Bestimmung der
Frequenz der Speisespannung dienen. Hierbei werden die Ausgangsspannungen zweier
Netzwerke mit frequenzabhängiger Phasendifferenz, die von einer gemeinsamen Stromquelle
mit konstanter Spannung gespeist «-erden, einer Gleichrichterbrücke nach Patent
623274 als Hilfsspamiung bzw. als Meßspannung zugeführt. Die erfindungsgemäßen
Anordnungen und
| ihre Wirkungsweise werden nachstehend an |
| Hand von Abbildungen erläutert. |
| z-Abb. z zeigte eine im Hauptpatent vorge- |
| s-@`ilagene Ausführung der Gleichrichteranord- |
nung, bestehend aus den Kreisen I und II, die je einen Detektor Dl bzw. D@ und einen
@N'iderstand Ra, bzw. R"= enthalten. Die Span-Iiung# C;, wird den beiden Kreisen
gemeinsam zugeführt, die Spannung -r Cl, bzw. -e", wird z. B. über den Cbertrager
LT jedem Kreis gesondert zugeführt. Der Phasenverschiebungswinkel zwischen Cl, und
Cl, sei (T;. G ist das Anzeigeinstrument, sein Ausschlag sei n.
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Im Kreis I wirkt die Spannung
| C1 = -I= ei' -f- C4, im Kreis II die Spannung (i) |
| C.., = - Ch -f- Cb (positive Richtung - Flußrichtung
der Detektoren.) (2) |
Auf Grund der in der Beschreibung zum Hauptpatent dargelegten Wirkungsweise der
Brücke ist der Ausschlag des Anzeigeinstruinents proportional der Differenz der
Beträge von C1 und C.
a = k
- (Ei -EJ (3)
wo h_
ein Proportionalitätsfaktor ist.
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In Abb.2 sind die Spannungsdiagramme für die Kreise I und II gezeichnet.
Für
EI,< Ei, gilt sehr nahe
| Et - Ei, -f- Eb kos (p (4) |
| E2 ----. Ei, - Eb kos cp und mit Gleichung (3)
(5) |
| a - 2 k # Eb kos (p (6) |
Die Näherung für Gleichung (6) ist wesentlich besser als die für Gleichung (4) und
(5), da die Fehler sich durch die Differenzbildung nach Gleichung (3) zum größten
Teil aufheben.
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Wie im Hauptpatent bereits an dem Beispiel der Wechselstrommeßbrücke
gezeigt 'ist, kann die Beziehung der Gleichung (6) zur Bestimmung des Phasenwinkels
von Netzwerken herangezogen werden: In Abb. 3 sei P" ein Vierpol, dessen Phasenwinkel
zu bestimmen ist, I-'" ein solcher mit bekanntem Phasenmaß. Die Eingangs: `klemmen
a.1, bi bzw. a., b. werden von einer Stromquelle S mit konstanter bekannter Spannung
gespeist. An den Eingangskleminen cl, dl von P., wird die Spannung C1, entnommen
und der Gleichrichterbrücke zugeführt, an den .Ausgangsklemmen c, d2 von P" wird
in gleicher Weise Cb entnommen. Da P" in diesem Fall als unveränderlich angenommen
ist, so ist für eine bestimmte Klemmenspannung der Stromquelle S der Ausschlag u
des Instruments lediglich abhängig von dem Phasenwinkel von Px, da C6 mit P" und
der lleßspannung konstant ist. Das, Instrument kann dann in Werten des Phasenwinkels
geeicht werden. Bei der ,Messung wird entweder die Spannung auf diesen Wert gebracht
oder der Wert der Spannung bei der Ablesung berücksichtigt.
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Will man bei der Messung von der Größe der Spannung unabhängig sein,
so kann für die Einstellung des Phasenwinkels in an sich bekannter Weise z. B. eine
Anordnung gewählt werden, wie sie in Abb.4 dargestellt ist. P" ist hier ein Vierljol
mit einstellbarem Phasenwinkel. Ändert nian z. B. mittels der Drehkondensatoren
C in P" die Phase dieses Vierpdls so lange, bis a ein Maximum ist, so ist der Phasenwinkel
von P,, gleich dem bekannten Phasenwinkel von 1'". Stellt man dagegen C so ein,
daß (c = o ist, so ist der Phasenwinkel von I', um 9o° von dem bekannten Winkel
von P,t verschieden.
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Wo es die Voraussetztnigen gestatten, kann die Änderung des Phasenwinkels
von P" anstatt durch Verändern einer oder mehrerer Widerstandsgrößen des Vierpols
auch durch Variieren der Frequenz der gemeinsamen Stromquelle erreicht werden. In
diesem Falle muß der Phasenwinkel von P" in dem erforderlichen Bereich eindeutig
von der Frequenz der abgelegten Spannung abhängen. Bei Null-oder
Vollausgleich
ergibt sich dann für diese Frequenz der Phasenwinkel von P, aus dem bekannten von
P,t.
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In Abb.5 ist eine beispielsweise Ausbildung einer erfindungsgemäßen
Anordnung zur Messung des Leistungsfaktors eines Stromverbrauchers y gezeigt, der
von einer Stromquelle S mit konstanter Spannung gespeist wird. Die Spannung C1,
wird der Stromquelle über geeignete Übertragungsmittel oder, wie in der Figur gezeichnet,
direkt entnommen, während an-` einem im Stromkreis liegenden Widerstand R die Spannung
CJt abgenommen wird, die dem durch den Verbraucher fließenden Strom I nach Größe
und Phase somit proportional ist. Da, Cb mit der Klemmenspannung der Stromquelle
konstant ist und die Anzeige von der Spannung Cl, sowieso unabhängig ist, so gibt
das Anzeigeinstrument direkt den Leistungsfaktor des Verbrauchers an.
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Entnimmt man aber entgegen den Bezeichnungen der Abb. 5 Ch an den
Klemmen cl, dl und GU an .c., d., so ist der Ausschlag proportional I # C # cos
(p. Bei konstanter Spannung stellt diese Anordnung ein Wattmeter hoher Empfindlichkeit
für einen sehr großen Frequenzbereich dar. Ist die Spannung nicht konstant, so ist
es zweckmäßig, die .Anordnung selbst zur Messung dieser Spannung zu benutzen unter
Abschaltung der anderen normalerweise wirkenden Spannung, indem man die Brücke zu
diesem Zweck vorübergehend ganz oder teilweise unsymmetrisch macht, z. B. durch
Kurzschließen oder Abschalten des Detektors Dl.
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Eine spezielle Anwendung findet die Anordnung erfindungsgemäß bei
Bestimmung der Frequenz einer Wechselspannung.
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Abb.6 stellt eine Ausführungsform einer solchen Anordnung dar. Die
beiden Vierpole sind hier zu Zweipolen degeneriert, wobei der eine aus einer Kapazität
C und einer Selbstindttktion L besteht, der andere in diesem Beispiel aus dem 'frequenzunabhängigen
Widerstand R. Die Spannungen für die Gleichrichterbriicke werden den Zweipolen,
wie in der Abbildung gezeichnet, entnommen. Soll die Frequenz der Stromquelle S
ermittelt werden, so wird z. B. C so lange verändert, bis das Instrument Maximalausschlag
zeigt. Die Phasenwinkel der beiden Zweipole stimmen dann überein, und aus der Stellung
des Drehkondensators C, der . zweckmäßig im hrequenzmaß geeicht wird, kann die Frequenz
ermittelt «-erden. Statt der in Abb. 6 verwendeten Zweipole können auch Vierpole,
wie z. B. in Abb. .a. dargestellt, verwendet werden. Es wird weit günstiger sein,
mit Nullausschlag zu arbeiten, da dann die Meßgenauigkeit größer ist.