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Anordnung zum Messen des jeweiligen Wertes des Leistungsfaktors mittels
eines umschaltbaren elektrischen Meßgeräts Die bekannten Geräte zum unmittelbaren
Anzeigen des Leistungsfaktors weisen den Nachteil auf, daß sie nur in verhältnismäßig
engen Strom und Spannungsgrenzen verwendbar sind und bei verzerrter Wellenform nicht
richtig anzeigen. Man greift daher vielfach auf die Berechnung des Leistungsfaktors
aus der Bestimmung der Wirk- und Blindleistung zurück.
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Nun ist es bereits bekannt, eine Meßanordnung zu benutzen, bei der
ein umschaltbares elektrisches Meßgerät benutzt wird, das nacheinander die Spannung,
die Stromstärke und die geometrische Summe dieser beiden Größen zu messen gestattet,
wobei eine der drei Meßgrößen auf einen gewollten Wert eingestellt wird. Dabei geht
die Messung z. B. so vor sich, daß man mit dem betreffenden Instrument zunächst
die Spannung E mißt und das Instrument sodann zum Messen der StromstärkeJ an die
Sekundärwicklung eines Stromwandlers mit geschlossenem Eisenkern anschließt, der
mit einer dritten, durch einen regelbaren Belastungswiderstand geschlossenen Wicklung
versehen ist. Nach dem Umschalten des Instruments auf die Stromwandlerwicklung regelt
man nun den Belastungswiderstand so ein, daß man am Instrument den gleichen Ausschlag
erhält wie bei der Spannungsmessung. Wenn man nun die zu messende Spannung und die
der Stromstärke J proportionale Sekundärspannung des Stromwandlers in Reihe schaltet,
so erhält man einen Ausschlag entsprechend der geometrischen Differenz zwischen
J und E, die bei konstanter Meßspannung nur noch von der Größe des Leistungsfaktors
abhängig sein soll.
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Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Art der Messung erhebliche
Fehler aufweist.
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Dies ist dadurch bedingt, daß beim Messen der geometrischen Differenz
zwischen 1 und E die Spannung E über den Transformator, bei der Spannungsmessung
aber unmittelbar gemessen wird. Infolgedessen arbeitet das Instrument bei der DiEerenzbildung
mit einem anderen Widerstand als bei der Spannungsmessung. Hinzu kommt noch, daß
der induktive Widerstand des Transformators sich mit der Belastung ändert, was sich
besonders bei dem verwendeten geschlossenen Eisenkern bemerkbar macht. Ein weiterer
Nachteil der bekannten Anordnung besteht darin, daß die Sekundärwicklung des Stromwandlers
betriebsmäßig durch einen Schalter unterbrochen werden muß, was trotz
des
Vorhandenseins einer weiteren Wicklung zur Entstehung unerwünschter hoher Sekundärspannungen
führen kann.
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Diese Fehler werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß die
geo, metrische Summe oder Differenz zweier von dem Strom und der Spannung herrührender
Wechselfelder in einem gemeinsamen offenen Kraftlinienkreis gebildet wird durch
Verwendung eines Stromwandlers mit offenem Eisenkern, der eine besondere abschaltbare
Spannungswandlerwicklung und eine Sekundärwicklung trägt, an die ein Meßgerät angeschlossen
ist.
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Bei Verwendung eines geschlossenen Eisen-. kernes würde der Nachteil
entstehen, daß bei wechselnder Belastung. der induktive Widerstand des Wandlers
sich wesentlich ändert und daher das von der Spannung herrührende Wechsel feld nachträglich
durch Hinzufügen des von dem Strom herrührenden Feldes beeinflußt wird. Außerdem
hat man bei einem offenen Eisenkern die Möglichkeit, diesen so auszubilden, daß
er über die geschlossene Stromleitung geschoben werden kann, so daß diese zum Zweck
der Messung nicht unterbrochen werden muß.
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Die Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung soll an Hand der Fig.
I und 2 näher erläutert werden. Läßt man z. B. bei einem elektromagnetischen Meßgerät,
bei dem die Größe des von der Spannung hervorgerufenen magnetischen Felaes und die
Größe des von der Stromstärke hervorgerufenen, zweckmäßig auf das gleiche Meßsystem
einwirkenden Feldes bekannt ist, den Strom J und die Spannung E gleichzeitig auf
das System einwirken, dann stellt der Instrumentenanzeiger sich auf den in der Fig.
I mit A bezeichneten Vektorialwert ein, der für den Leistungsfaktor kennzeichnend
ist. Eine besonders einfache Beziehung zwischen dem Vektorialwert A und dem cos
ç erhält man, wenn man den Stromvektor und den Spannungsvektor gleich groß wählt.
Nach der bekannten Formel beträgt dann
Zwischen A und cos 7 besteht demnach eine quadratische Beziehung.
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Man kann die Vektoraddition auch gemäß Fig. 2 derart vornehmen, daß
zu einem Spannungsvektor E eine gleich große Resultierende A = -J vektoriell addiert
wird, wobei man dann J = 2 E cos ç erhält. Zwischen J und cos cp besteht in diesem
Falle eine lineare Beziehung.
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Um die erfindungsgemäße Messung durchführen zu können, muß die Meßanordnung
Regel- und Schaltvorrichtungen aufweisen, um die Vektoren und J bzw. E und E-J unabhängig
voneinander auf vorausbestimmte Größe einstellen und dann beide Vektoren gleichzeitig
wirken lassen zu können.
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In den Fig. 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele von Anordnungen gemäß
der Erfindung dargestellt. In der Fig. 3 ist mit I ein Transformator mit offenem
Eisenkern bezeichnet, der eine Sekundärspule 2, eine Primärspule I6 und unter Umständen
noch eine Hilfsspule 30 trägt. Die Primärspule 16 kann über einen Ohmschen Regelwiderstand
I2 und einen festen Vorschaltwiderstand 9 an die NetzleitungIo, II angeschlossen
werden mit Hilfe einer Druddaste 13. An die Sekundärspule 2 ist über einen Vierweggleichrichter
4 ein Meßinstrument 5 mit Zeiger 14 angeschlossen. In der Gabel des Transformators
I ist in bekannter Weise ein Anschlag I5 angeordnet, gegen den bei dem Uberschieben
des Transformators über die Leitung diese anstößt. Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung
kann die Phasenmessung in folgender Weise vorgenommen werden.
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Zunächst wird die Sekundärwicklung I6 mit den daran befindlichen
Schaltelementen an. Spannung geschaltet und die Taste I3 geschlossen. Dadurch wird
in dem Eisenkern I ein von der Spannung abhängiges Feld erregt, dessen Größe nun
mit Hilfe des regelbaren Widerstandes 12 so lange geändert wird, bis der Zeiger
des an die Sekundärwicklung 2 angeschlossenen Meß instrumentes auf dem Teilstrich
71 der in hundert Teile geteilten Skala 6 steht. Der Teilstrich 100 71 = ist deshalb
gewählt, weil dabei der #2 gesamte Meßbereich des Instrumentes ausgenutzt werden
kann. Gibt man den Druckschalter 13 frei, so geht das Meßinstrument wieder auf Null
zurück, weil der Spannungskreis geöffnet ist. Nunmehr wird durch Überschieben des
Eisenkerns über die Leitung 3 bzw. 3' ein dem durch die Spannung vorhin erzeugten
Feld gleich großes Feld erzeugt, indem man die Relativlage des Eisenkerns und der
Leitung so lange ändert, bis der Zeiger 14 ebenfalls wieder auf dem Skalenstrich
7I steht. Um nun beide Vektoren zu addieren, wird der Taster I3 niedergedrückt,
so daß die Summe der Felder des Spannungs- und Stromvektors im Eisenkern I auf die
Sekundärwicklung 2 und damit auf das Meßgerät 5 zur Einwirkung kommt und der Zeiger
14 sich entsprechend der Resultierenden einstellt.
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Um den cos # unmittelbar ablesen zu können, kann unter der Skala
6 eine mit I7 bezeichnete cos-Skala angebracht sein. Dazu ist es naturgemäß erforderlich,
daß die Feldvektoren jeweils auf eine vorausbestimmte festliegende Größe eingestellt
werden, und diese Größe wählt man, um eben den Skalenbereich voll
auszunutzen,
wie bereits oben ausgeführt, 00 zweckmäßig gleich vorausgesetzt, daß die Skala in
100 Teile eingeteilt ist.
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Das in dem Kern I vom Strom 1 induzierte magnetische Feld ist mit
dem durch die Leitung 3 bzw. 3'fließenden Strom in Phase.
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Das von der Spannung induzierte magnetische Feld wäre ebenfalls mit
der Spannung völlig gleichphasig, wenn der Spannungskreis rein Ohmsche Widerstände
enthielte. Nun liegt aber im Kreis ein induktiver Widerstand in Form der Spule 16,
so daß eine Phasenverschiebung zwischen Feld und Spannung unvermeidlich ist. Diese
Phasenabweichung wird jedoch im allgemeinen sehr niedrig gehalten werden können,
weil man die Widerstände g und I2 in der Regel sehr groß ß wählen kann. Infolgedessen
wird man im allgemeinen diese Abweichungen vernachlässigen können. Man kann unter
Umständen aber auch die Phasenabweichung in die cos-Skala eineichen und sie auf
diese Weise berücksichtigen.
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Bei kleinen Stromstärken in dem zu messenden Leitungssystenl genügt
die Verwendung eines gestreckten Primärleiters für den Wandler nicht mehr. Aus diesem
Grund ist die Hilfsspule 30 vorgesehen, über die bei besonders niedrigen Stromstärken
der Strom geführt werden kann. Solange man diese Hilfsspule nicht verwendet, kann
das Gerät ohne Unterbrechung des Stromkreises benutzt werden.
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Es dürfte ohne weiteres klar sein, daß mit demselben Gerät neben
der Messung des Leistungsfaktors auch die Spannung und die Stromstärke und dadurch
mittelbar auch die Leistung in Watt gemessen werden kann.
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Die Drucktaste 13 und den Regelwiderstand 12 kann man zweckmäßig
baulich vereinigen, so daß man mit derselben Hand, die den Widerstand I2 einstellt,
gleichzeitig die Taste 13 geschlossen halten kann.
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Wenn man gemäß Fig. 2 den Leistungsfaktor nach der Formel 1 = 2 E
cos ermitteln will, dann stellt man zweckmäßig den Spannungsvektor durch Vorschalten
eines entsprechenden Teiles des Widerstandes 12 auf den Skalenstrich 50 ein und
nähert bei niedergedrücktem Taster 13 den Eisenkern 1 dem Leiter 3' so lange, bis
sich der Zeiger 14 auf den gleichen Teilstrich 50 eingestellt hat.
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Nach Öffnen des Druckschalters I3 kann man dann auf der Skala 6 unmittelbar
den cos ablesen. Es ist demnach eine zweite Skala nicht erforderlich.
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Die beschriebene Messung hat den Vorzug, daß sie unabhängig von der
Periodenzahl und von vorhandenen Fremdfeldern ist, weil beide auf die Strom- und
Spannungsvektoren den gleichen Einfluß haben, so daß ihr Einfluß auf die Resultierende
kompensiert wird. Die Skala I7 braucht nicht besonders geeicht zu werden, man kann
sie vielmehr nach der Formel
ausrechnen und im Manstab der geeichten btromskala emzeichnen. Eine Kontrolle über
die Richtigkeit der eingezeichneten Skala hat man dadurch, daß man bei der Messung
nach der Formel 1 = 2 E cos ç das gleiche Ergebnis erhalten muß.
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Fig. 4 zeigt eine Anordnung, bei der ein Zwischenwandler 23 vorgesehen
ist, dessen Primärwicklung 25 in die zu messende Stromleitung eingeschaltet werden
kann, während die Sekundärwicklung 26 die Hilfswicklung 30 des Transformators 1
speist. Der Zwischenwandler 23 kann aber auch als Einleiterwandler benutzt werden,
wobei der Stromleiter 3 durch den Eisenkern hindurchgesteckt wird. Natürlich kann
das Eisenjoch des Zwischenwandlers auch in der üblichen Weise aufklappbar angeordnet
werden, wenn der Leiter 3 nicht unterbrochen werden soll.
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Die Verwendung eines Zwischenwandlers hat den Vorteil, daß die eigentliche
Meßanordnung mit dem Zwischenwandler nur durch zwei Leitungen verbunden zu sein
braucht, da man dabei den Wandler I mit der Meßanordnung baulich zu einem handlichen
Gerät vereinigen kann, an das der Zwischenwandler durch eine bewegliche Leitung
angeschlossen wird, während bei der Anordnung nach Fig. 3 wegen der baulichen Trennung
des Wandlers von der eigentlichen Meßanordnung vier Leitungen erforderlich sind.
Durch die Zwischenschaltung des Wandlers kann auch die Stromempfindlichkeit der
Meßanordnung erheblich gesteigert werden. Mit I6 ist wieder die Spannungswicklung
des Wandlers I und mit 2 die Sekundärwicklung bezeichnet.
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Zum Anschalten der Spannung dienen einerseits eine Klemme 18 und
andererseits je nach der Höhe der Spannung Klemmen 19 und 20. Diese können über
feste Vorwiderstände ga und 9 mit Hilfe eines Schalters 8 in der mit E bezeichneten
Stellung des Schalters unmittelbar an eine vor r dem Meßinstrument 5 liegende Gleichrichterschaltung
4 angeschlossen werden. Andererseits können sie mit Hilfe einer Drucktaste 13 zum
Messen des Leistungsfaktors über einen regelbaren Widerstand 21 mit der Wicklung
I6 des Wandlers I verbunden werden. Bei einer Strommessung kann ein gewünschter
Meßbereich des Instruments mit Hilfe von Widerständen 22 eingestellt werden.
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Die Messung des Leistungsfaktors mit einem derartigen Gerät kann
in folgender Weise vor sich gehen:
Man schaltet die Spannung an
die Klemmen I8 und 19 bzw. 20. Der Schalter 8 wird auf die Stellung J cos ç umgelegt
und bei geschlossener Drucktaste I3 mit Hilfe des Wi-Widerstandes 21 der gewünschte
Skalenwert am Instrument 5 eingestellt. Sodann wird die Primärwicklung 25 eingeschaltet
bzw. der Stromleiter 3 durchgesteckt und durch Regeln eines parallel zu der Hilfswicklung
30 angeordneten Widerstandes 24 der Stromvektor derart abgestimmt, daß bei geöffneter
Drucktaste I3 das Instrument 5 den gleichen Skalenwert wie vorher anzeigt. Nunmehr
wird die Drucktaste I3 geschlossen und an der cos q,-Skala des Instrumentes 5 der
gewünschte Wert des Leistungsfaktors abgelesen.